一项研究合作开发了一种新型荧光纳米传感器，能够快速检测与肠道健康和疾病相关的关键生物标志物——吲哚-3-丙酸（IPA）。这一突破性成果发表在《先进医疗材料》期刊上，题为《用于肠道健康监测的吲哚-3-丙酸荧光纳米传感器》的研究论文中对此进行了详细描述。
荧光纳米传感器平台示意图，展示对吲哚-3-丙酸（IPA）的快速检测以及健康样本与疾病样本的区分。图片来源：(NIE/NTU)
IPA是肠道细菌在分解饮食中的色氨酸（一种蛋白质合成必需的氨基酸）过程中产生的代谢物。它在调节炎症和氧化应激方面发挥着重要作用，并与炎症性肠病（IBD）、2型糖尿病和肝病等疾病相关。
然而，目前的检测方法依赖于传统的基于质谱的分析技术，这些方法成本高且耗时长，使其不适合常规筛查或床旁检测使用。
该团队包括来自新加坡南洋理工大学国立教育学院（NIE NTU）和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）——麻省理工学院（MIT）在新加坡的研究机构——的研究人员，与新加坡国立大学医院（NUH）和新加坡国立大学医学部（NUS Medicine）的临床医生合作。
首个针对吲哚类代谢物肠道生物标志物的实时传感器
这个新开发的平台是首个专门设计用于检测IPA的光学纳米传感器，填补了肠道代谢物传感领域的长期空白。
该传感器采用基于荧光的方法，可在几分钟内产生快速的光学读数，提供比传统分析技术显著更快且更易获取的替代方案。它表现出高选择性，能够区分IPA与肠道中常见的密切相关代谢物，这使得即使在血液血清等复杂生物环境中也能实现准确检测。
Mervin Ang助理教授使用荧光光谱仪进行传感器测量。图片来源：(NIE/NTU)
"这是我们首次能够使用光学纳米传感器直接快速地测量生物样本中的IPA水平，"新加坡南洋理工大学国立教育学院的Mervin Ang助理教授说道，他是该研究的共同第一作者，同时也是该研究启动时SMART DiSTAP的副科学主任。
"这种摆脱传统质谱技术的新方法，可以为在现实环境中更快、更便捷地监测肠道健康铺平道路。"
这种新型纳米传感器建立在SMART的"精准农业颠覆性与可持续技术"（DiSTAP）跨学科研究小组（IRG）对纳米和光学传感器技术的研究基础之上。
该技术最初开发用于监测植物健康——包括植物生长信号和应激反应——现已通过重新设计纳米和光学传感平台来检测IPA，从而适应了人类健康应用。
"这项工作基于SMART DiSTAP在分子识别方面的技术。我们曾使用类似技术来测量农业中活体植物的激素和代谢物，现在已将其应用于人类消化系统。我们成功地将它应用于肠道健康这一长期挑战，"麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、SMART DiSTAP首席研究员和该论文通讯作者Michael Strano教授表示。
"通过将我们的分子识别聚焦于这一重要的肠道健康生物标志物，我们展示了一种强大的新工具，有朝一日可以实现主动式个性化医疗保健。该工具有望提供近乎即时的肠道健康状况洞察，或炎症性肠病等慢性疾病的状况评估。"
用于快速测试和未来监测的双模平台
该技术的一个关键创新是其双模传感能力。纳米传感器同时在以下两种模式下工作：
- 可见荧光模式，可实现生物样本的快速、低成本、高通量筛查；以及
- 近红外模式，其波长可以更深入地穿透组织。
近红外能力使该技术能够适应体内应用，并集成到可穿戴设备中，用于家庭检测或连续监测。例如，这可以帮助炎症性肠病等慢性病患者更早地检测病情发作，并更自主地管理其健康。
这种灵活性使该平台能够在各种环境中使用，从实验室测试到医院床边应用，以及用于实时健康监测的可穿戴设备。
在患者样本中得到验证
为评估其临床相关性，研究团队与国立大学医院（NUH）的临床医生合作，在125个人类血浆样本上测试了这种纳米传感器，样本涵盖多个患者群体，包括健康个体和胃肠道疾病患者。
研究表明，健康个体与炎症性肠病患者（包括克罗恩病和溃疡性结肠炎）之间的IPA水平存在显著差异。活动性肠道炎症患者表现出较低的IPA水平——与已确立的临床发现一致。
"从临床角度看，拥有一种快速且复杂度最低的方式来评估IPA等代谢物水平可能非常有价值，"新加坡国立大学医院（NUH）和新加坡国立大学医学部（NUS Medicine）医学系胃肠病学和肝病学部高级顾问Jonathan Lee副教授表示，他也是该研究的共同第一作者。
"它有可能补充现有诊断工具，并为炎症性肠病患者提供额外的洞察。"
更快、更便捷的肠道健康检测
除了实验室应用，这项研究可能为更快、更便捷的肠道健康检测铺平道路。新型纳米传感器可以取代复杂的耗时实验室方法，在诊所中实现快速筛查，甚至可进行便携式或家庭检测，帮助更早发现肠道疾病并更轻松地监测治疗进展。
与专注于识别存在的细菌的常规微生物组测试不同，这种纳米传感器测量这些微生物正在积极产生的物质，提供了肠道健康的更直接、功能性快照。
直接测量代谢物输出，而不仅仅是细菌组成，可以为整体健康提供更有意义的洞察，并支持更个性化的医疗保健方法。
除了临床诊断外，该技术还可用于跟踪饮食干预的即时效果。用户可以快速了解特定食物或益生菌是否成功地促进了肠道细菌产生像IPA这样的抗炎分子。
该传感器在血清和血浆等复杂生物液体中也表现出可靠的性能，这是向现实世界临床部署和进一步转化应用迈出的重要一步。
对于药物和治疗研究，纳米传感器可用于进行快速功能测试，以确定新疗法或益生菌的疗效。
通过提供IPA水平的即时读数，该平台可以使研究人员实时证明其治疗方法具有生物活性和有效性，显著加速药物筛选和剂量优化过程。
向床旁诊断发展及更远
"从实验室发现到床旁临床工具的转变已经开始，"Ang助理教授表示。"通过进一步开发，该平台有可能转化为临床应用，并从长远来看，适应于便携式平台用于常规健康监测。"
展望未来，研究团队已获得"创新到初创企业"（I2Start）创新资助，以培育新加坡的一个准初创企业，推进验证和开发。
重点将是将传感器转化为床旁临床诊断工具，并致力于扩展该平台以同时检测多种肠道代谢物，并通过AI驱动的信号解卷积，实现更准确、全面和个性化的肠道健康监测。
未来的发展还可能探索将传感器集成到可穿戴设备、微针系统或微流体平台中，用于连续实时传感。
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