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当今时代，生命科学研究与临床医学飞速发展，精准检测技术已成为推动医疗进步的关键力量。作为新兴的科研热点，单分子生物传感技术为我们揭示生命奥秘、攻克疾病难题，提供了全新的视角与工具。它能够实时捕捉单个分子级别的动态信息，打破传统宏观检测的局限，深入探索分子互作机制。从基础研究到临床应用，单分子生物传感技术展现出变革性的潜力，有望重塑疾病的诊断与治疗模式。

单分子生物传感技术的发展历程体现了多学科的深度交叉融合。从生物物理到材料科学，从芯片制造到算法设计，各领域知识相互交融，共同推动了该技术从理论走向实践。它与传统检测方法相比，优势显著。以库尔特计数器为例，其利用微米级小孔检测细胞，为医学检验带来了自动化革命。而单分子生物传感技术则更进一步，能够在纳米尺度上精确探测分子信息，为生命科学研究和临床诊断开辟了新的境界。

在2025VBEF未来医疗医药100强展会·精准医疗与分子诊断产业发展论坛上，四川大学华西医院临床检验医学研究中心副主任耿佳教授，以临床真实痛点和需求为基础，向我们讲述了团队近年来的研究与成果，揭示了以纳米孔测序技术为代表的单分子生物传感技术，所具有的巨大临床机遇。

四川大学华西医院临床检验医学研究中心副主任耿佳

生物传感技术，在疾病诊断、药物检测、生理参数检测、生物制药等多个领域，都有着广泛的应用。然而，现有的生物传感检测技术和设备，在复杂样本单分子实时传感方面，仍存在诸多关键问题亟待解决。

这是因为，当前的医学检测多集中于固定时间点，难以捕捉生理和病理状态的动态变化。但疾病的发生、发展是一个动态过程，实时、连续的监测对于疾病的早期发现、精准治疗和预后评估至关重要。此外，在重症监护病房（ICU）、基层医疗机构、边远地区以及突发公共卫生事件中，也十分需要便捷、快速、实时的现场检测手段，为临床决策提供及时依据，挽救患者生命。

在此需求下，纳米孔测序技术快速发展。这是因为，相比于其他传统测序，纳米孔测序真正意义上做到了实时基因测序，可边测序边输出结果，用户可以在测序早期了解样本的质量和状态，也可以在获得足够的数据后停止测序。此外，纳米孔测序仪器具有便携这一优点，工作人员可以在采集点直接进行测序，实时得到序列信息进行物种分类鉴定，完成目标物的快速鉴定。

事实上，纳米孔测序技术的起源可追溯至20世纪90年代，当时华盛顿大学和加州大学的科学家设想利用纳米级小孔检测DNA。经过了二十几年的发展，这一设想才产业化应用落地。纳米孔测序技术的真正应用是在2015年，当时埃博拉病毒肆虐，欧洲一些科学家把纳米孔测序设备装进行李箱里，带到当地的简易实验室进行测序，24小时内完成了从样本到出报告的流程。在病原体诊断和检测方面，纳米孔测序技术的便捷、高效，对于病原体的分型溯源和防控策略的制定提供了非常大的帮助。

目前，纳米孔技术在基因测序领域的商业化已逐渐成熟。然而，其在蛋白质测序和药物开发等领域的应用仍面临诸多挑战。这是因为，测序过程中一个电信号由多个连续的核苷酸/氨基酸贡献，20种氨基酸组合产生的信号复杂度远高于4种脱氧核糖核苷酸的组合，即蛋白质的结构复杂性远高于 DNA，其测序难度极大。因此，如果能够检测多肽水解产生的单个氨基酸分子，其信号识别难度会大大降低。

为了高准确性地实现对20种蛋白质氨基酸的单分子检测，耿佳教授团队提出并验证了纳米孔外切酶实时多肽测序（Nanopore Exopeptidase Real-time Peptide Sequencing, NEPS）方法。该方法实现了全部20种天然氨基酸的高灵敏度、无修饰、实时检测，为实现单分子蛋白质测序提供了可行途径。在机器学习算法的辅助下，其信号识别准确率可达99.1%，信号回收率为30.9%。相关成果于2024年发表于《自然·方法》。

在临床药物实时监测方面，纳米孔传感技术展现出巨大的应用潜力。当药物剂量过高时，容易给患者带来毒副作用；当药物剂量过低时，疗效则会降低。尤其是老人、儿童、孕妇等特殊群体，临床指南和专家共识都建议对其进行定期的药物浓度监测，精准指导这些群体用药。

对于器官移植患者来讲，其免疫抑制剂的使用也需要精准地控制，才能有效预防排斥反应和感染，提高移植成功率。此外，在麻醉手术过程中，实时监测麻醉药物浓度有助于确保手术安全，减少术后并发症。但目前，除了呼吸麻醉气体可实现连续监测之外，对于体内血液的麻醉剂浓度，目前业界还无法实现连续监测。

目前，常见的治疗用药监测是患者需要前往医院挂号、采血取样，经过1 – 2天才能获得检测结果，时间成本较高。耿佳教授团队首次利用纳米孔传感技术，能够实现全血样本内的小分子的直接监测，无需复杂样本处理，仅需10微升血样，5分钟内即可完成浓度测量。在合理的用药范围内，其检测精度与液相色谱、质谱的结果相当，为临床用药提供了精准依据，有望满足数亿人对药物实时监测的迫切需要。

在药物开发过程中，纳米孔单分子传感技术也具有重要潜在意义。目前，在药物代谢动力学研究中，缺乏有效的实时监测手段。利用该技术，可以对药物在动物体内的代谢过程进行连续监测，为药物研发提供详细的数据支持，加速新药研发进程。

展望未来，以纳米孔测序技术为代表的单分子生物传感技术，其发展方向将更加多元化。一方面，科研人员将致力于构建全长蛋白质单分子测序方案，为药物开发、个性化抗体药物筛选以及肿瘤治疗提供全新的技术手段。另一方面，基于芯片的多分子同步监测技术将逐步完善，再结合人工智能算法，可实现智慧诊疗。这将推动分子医学监测管理系统的发展，实现蛋白、基因、小分子等全组学的精准、便携、快速检测，为健康管理和疾病治疗提供有力的技术支持。