Nature子刊｜觀測生命的動態：納米傳感器如何實現細胞內過程的實時解碼

生命是一個動態的過程。然而，我們理解生命的基本單位——細胞的方式，卻常常是靜態的。傳統的細胞分析技術，無論是測序還是質譜，都不得不以“殺死”細胞為代價，這如同通過研究一張張靜態的化石照片，來試圖理解一群飛鳥的遷徙行為，必然丟失了其中最關鍵的時間、空間和動態信息。如今，一場由納米技術驅動的范式革命正在悄然發生。納米傳感器正以其微小的尺度和精巧的設計，讓我們得以在不干擾細胞正常生命活動的前提下，潛入其內部世界，對離子、代謝物、電信號等進行實時、原位的監測。這標志著我們正從“終點式”的破壞性讀取，邁向構建“細胞內的實驗室”的新時代。

圖1.實時原位生物分子細胞內監測

2025年10月15日，Nature Nanotechnology在線發表了一篇名為“Nanosensors for real-time intracellular analytics”的綜述性論文。在該綜述中，作者提出了一個清晰的框架，將這類技術依據其空間位置分為三類：近細胞、貼細胞與細胞內。這一分類不僅厘清了技術路徑，更深刻揭示了在微創性、信號保真度和分辨率之間的權衡。本文將帶你深入這一前沿領域，看這些納米尺度的“智能探針”如何為我們揭開生命動態的面紗。

臨床的“火眼金睛”：為何我們需要探測細胞內部？

傳統的疾病診斷主要依賴于血液和組織液等生物體液中的生物標志物。然而，細胞內生物標志物在早期診斷和精準醫療中展現出獨特優勢：它們通常在疾病更早階段出現，并且能更準確地反映細胞真實狀態，因為它避免了細胞外檢測中固有的稀釋效應和系統性變異。更重要的是，細胞內檢測能夠實現單細胞分辨率，這對于揭示癌癥、神經退行性疾病和感染等疾病中關鍵的細胞異質性至關重要。

表1.來自細胞和亞細胞區室的臨床相關生物標志物

盡管本篇綜述討論的大多數細胞內傳感技術應用于離體或體外環境，但其巨大價值在于，它們能提供傳統體內方法難以實現的動態、高分辨率的細胞洞察。這些技術在探索亞細胞生物學，尤其是在患者來源的類器官、培養的原代細胞或單細胞平臺等系統中，提供了無與倫比的控制力和精確度。因此，細胞內傳感技術正在架起連接基礎細胞生物學與臨床轉化的關鍵橋梁。

按距離劃分的傳感器模式

近細胞傳感器：

這類傳感器位于細胞膜附近，通過檢測細胞擴散或分泌出的生物標志物進行工作。其核心優勢在于非侵入性和高空間分辨率，適用于長期監測。

l掃描電化學顯微鏡：通過檢測氧化還原電流變化，繪制細胞表面附近的化學活性圖譜，已應用于葡萄糖、乳酸流量及微生物信號代謝物的研究。

l微電極陣列：由微電極組成的陣列，可記錄細胞外電信號或測量周圍環境的電化學變化，實現了神經元和心肌細胞電活動的無標記長期監測。

l表面等離子體共振：通過檢測分子結合或離子相互作用引起的折射率變化進行傳感，已用于監測細胞外鉀離子濃度及鈣信號傳導的可視化。

近細胞傳感器雖具擴展性和長期監測優勢，但其對細胞內過程的測量是間接的，且因信號擴散可能導致特異性降低。

圖2.近細胞傳感器

貼細胞傳感器：

此類傳感器與細胞膜直接接觸，通過電穿孔、光穿孔等技術瞬時破壞質膜，建立局部化的細胞內訪問通道，在微創性與高分辨率訪問之間取得平衡。

l微/納米吸管：通過物理插入功能化的錐形玻璃探針，可高空間精度地測量pH、細胞內電位、葡萄糖水平和活性氧。

l納米電極陣列：將高密度垂直納米結構與微電子平臺集成，通過局部電穿孔或自發穿透記錄膜電位、活性氧和NADH水平。

圖3.監測細胞生物標志物的貼細胞技術

l表面增強拉曼散射和原子力顯微鏡探針：SERS探針能無標記地檢測鐵離子等分子，提供獨特的分子“指紋”；而AFM探針甚至能像“內窺鏡”一樣插入細胞，繪制細胞內部結構和力學性質。

圖4.貼細胞光學技術監測細胞生物標志物

貼細胞傳感器彌合了外部觀察與細胞內訪問之間的鴻溝，但其在通量、可重復性和維持細胞活性方面仍面臨挑戰。

細胞內傳感器：

這類傳感器完全在細胞質或細胞器內運作，提供對亞細胞環境的直接、動態訪問，是實現分子精度實時監測的關鍵。

l熒光傳感器：利用熒光標記染料或基因編碼指示劑，報告離子、pH、ATP、葡萄糖、活性氧等，具有高靈敏度和特異性，但可能受光漂白和探針擴散限制。

l納米機器人與納米電機：通過化學、聲學或磁性輸入驅動，可主動檢測miRNA、DNA和蛋白質等特定生物分子，并能量化細胞質粘度等物理特性。

l氣體囊泡與聲學報告基因：通過基因編碼的氣體囊泡實現細胞內非侵入性超聲成像，提供了深組織成像潛力。

l細胞內芯片和無線設備：微型化植入式傳感器可報告流體靜壓、細胞質機械變化和實時生物標志物波動，是極具創新性的讀出模型。

細胞內傳感器能以前所未有的分子精度揭示亞細胞動態，但其在運動控制、生物相容性和信號提取方面仍需進一步優化。

圖5.細胞生物標志物監測的細胞內技術

展望：智能傳感的未來與挑戰

隨著實時細胞內納米傳感技術的發展，我們正進入一個能夠同時監測活細胞內物理參數和化學標志物的新時代。這些技術為解析細胞異質性、評估單細胞水平的藥效提供了獨特價值。特別值得關注的是"細胞可穿戴設備"的出現，這些能與細胞復雜幾何結構貼合的納米傳感器，實現了對細胞行為的連續監測與調控。

未來發展方向聚焦于三大融合：

與類器官模型的融合：實時傳感技術與類器官結合催生的"智能類器官"，能夠持續監測并報告其內部狀態，為個性化診療開辟新途徑。

與人工智能的協同：AI通過識別復雜數據集中的模式，使納米傳感器從被動觀察者升級為智能系統，能夠優化測量參數、提高準確性并預測生物學結果，為數據驅動的臨床決策提供支持。

技術挑戰的突破：盡管前景廣闊，該領域仍面臨若干關鍵挑戰：

l微型化制造：在納米尺度保持傳感器信號質量與功能的一致性

l細胞內訪問：突破質膜屏障同時維持細胞正常功能

l生物相容性：確保傳感器在細胞內保持惰性，最小化對細胞平衡的干擾

l多參數傳感：實現物理與化學標志物的同步檢測

l3D集成：將納米傳感器嵌入類器官等三維組織模型，同時保持其完整性

結語

納米傳感器與AI的融合，代表了我們向著以卓越精度監測和影響細胞過程這一未來邁出的重要一步。克服這些挑戰將加速開發具有多路復用和多模態功能的實時細胞內納米傳感器，最終實現對細胞機制的全面理解，為早期疾病檢測、精準藥物反應評估和個性化治療干預奠定基礎。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02032-w

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