作者与发表信息

本文是一篇由加州理工学院（California Institute of Technology）Andrew and Peggy Cherng医学工程系的Jiaobing Tu，西北大学（Northwestern University）化学系及Chan Zuckerberg Biohub Chicago的Connor D. Flynn，以及加州理工学院医学工程系的Jeonghee Yeom和Wei Gao，西北大学生物医学工程系及多伦多大学（University of Toronto）药学系的Shana O. Kelley等多位研究人员共同撰写的综述文章。文章于2025年10月15日在线发表在《自然·纳米技术》（nature nanotechnology）期刊上。

论文主题与背景

该综述文章聚焦于可穿戴生物分子传感纳米技术在慢性病管理中的应用。随着全球老龄化人口加剧，心血管疾病、糖尿病等慢性病已成为导致过早死亡的主要原因，给患者和医疗基础设施带来了巨大压力。传统的慢性病管理主要依赖于在临床环境中对生命体征和血液中特定生物标志物（biomarkers）的评估。然而，纳米技术与可穿戴生物电子学的融合正在催化一场向主动、个性化医疗模式的转变。本文旨在提供一个聚焦的视角，探讨如何通过材料创新和纳米技术进步来克服关键的传感挑战，并开启对慢性病进行连续、体表界面监测的新可能。

论文主要观点论述

1. 慢性病的分子特征（molecular signatures）应采用系统化方法进行监测

文章首先强调，虽然传统的生物标志物分析主要关注疾病特异性指标，如心血管疾病的肌钙蛋白（troponin），但这些单一标志物往往无法捕捉疾病的整体情况。随着医学对分子世界互联性的认识加深，通过一种结合多个身体系统的折衷方法来看待疾病变得至关重要。论文详细列举并阐述了各类慢性病的关键分子特征，并强调了它们之间的相互关联： * 心血管疾病（cardiovascular diseases）特征：除了心肌功能失调标志物（如B型利钠肽、肌钙蛋白I/T）和血管狭窄标志物（如低密度脂蛋白、D-二聚体）外，消化系统（如肠道菌群衍生的氧化三甲胺）和骨骼系统（如骨桥蛋白）的代用生物标志物（surrogate biomarkers）也提供了关于血管钙化和狭窄的宝贵信息。 * 代谢与自身免疫疾病特征：对于糖尿病，除了传统的血糖和糖化血红蛋白，文章指出了β-羟基丁酸（β-hydroxybutyrate）和猪胆酸（hyocholic acid）等替代标志物的价值。自身免疫疾病如类风湿关节炎和狼疮的监测则涉及自身抗体（如类风湿因子、抗DNA抗体）的检测。 * 神经系统与精神健康疾病特征：神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）的神经元特异性蛋白标志物（如神经丝轻链、β-淀粉样蛋白）可以在症状出现前数年就提供关键指征。精神健康方面，除多巴胺、血清素等神经递质外，脑源性神经营养因子、皮质醇和炎症标志物（如细胞因子）也与焦虑、抑郁等疾病表现出强相关性。 * 炎症与外源性特征：炎症是许多慢性病的共性病理过程，白细胞介素、肿瘤坏死因子等细胞因子是其核心监测标志物。此外，外部引入的药物（如化疗药）和营养物质等外源性标志物（exogenous signatures）也为治疗药物监测和个性化营养方案提供了基础。

文章同时指出，在为连续监测选择合适标志物时，必须考虑其分子相关性、特异性以及由疾病导致波动的有意义性，因为许多标志物（如细胞因子）可能因多种非疾病原因而波动。

2. 用于体表界面监测的纳米级传感系统是技术核心

文章的第二部分深入探讨了纳米材料和纳米结构如何赋能高灵敏度的体表界面传感器。 * 纳米材料与生物分子的协同作用：文章指出，量子点、纳米颗粒、纳米线、石墨烯和MXenes等纳米材料，凭借其高比表面积和高电子迁移率，成为功能化识别元件（如适配体（aptamers）、抗体、酶、分子印迹聚合物（MIPs））的理想支架，共同构成活性靶标识别材料。这些纳米材料不仅提供结构稳定性，还可作为导电电极或活性传感层，增强靶标结合和信号转导。 * 关键传感策略的创新：文章详细阐述了多种纳米工程化传感技术。例如，具有催化活性的纳米酶（nanozymes）克服了天然酶稳定性差的局限，其中，以分子印迹聚合物为壳、六氰合铁酸镍为核的核壳纳米颗粒，实现了对循环营养物质和治疗药物的连续监测。在光学检测中，量子点和金纳米颗粒（AuNPs）作为供体和受体，因其优越的光稳定性，在弗斯特共振能量转移（FRET）生物传感器中实现了超灵敏检测。 * 表面工程与器件形态：纳米结构化表面通过调节双电层克服传统德拜长度限制，而集成单根纳米线或纳米管作为场效应晶体管栅极，则能通过结合事件引起的局部表面电势变化，实现单分子级别的检测。文章还介绍了表面增强拉曼光谱（SERS）通过将信号放大到单分子分辨率的能力，以及有机电化学晶体管（OECTs）通过信号放大实现超高灵敏度的代谢物监测。

3. 多样化的体表界面平台是实现日常监测的载体

文章详细讨论了将传感器无缝融入日常生活所需的多种形态因素。 * 可穿戴设备监测各类生物流体：皮肤贴片、纹身等通过集成离子电渗（iontophoresis）技术诱导出汗，实现对痛风、炎症等标志物的持续采样。基于间质液（ISF）的连续血糖监测仪（CGMs）是迄今最成功的商业化案例，而微针（microneedles）阵列提供了微创监测的新途径。伤口敷料能够原位监测慢性伤口渗出液中的标志物。口腔护套和面部口罩则分别实现了对唾液和呼出气冷凝液中病原体、代谢物和挥发性有机物的实时分析。 * 泪液与植入可降解设备：虽然谷歌的智能隐形眼镜项目因泪糖与血糖相关性不佳而终止，但通过无线供电和个性化滞后时间校正，该领域仍在探索之中。植入式设备可以直接接触血液或组织，监测代谢物和神经递质。采用生物可吸收聚合物电子器件可以免除二次手术取出的需要，而利用微流控和动力学差异测量则能减少传感器结垢和信号漂移。 * 集成现有技术：文章提倡研究人员在现有成熟架构（如连续血糖监测仪、起搏器）上增加新的传感模式，以降低新器械的准入门槛。

4. 从技术研发到临床转化的挑战与路径

文章最后的核心部分围绕如何弥合从学术研究到商业化之间的巨大鸿沟，提出了一个类似“精密筛分”过程的转化路径。 * 早期研发阶段：重点在于实现无需试剂的连续监测和生理兼容性。传感器必须具备可逆结合能力和快速响应的动力学特性，同时要应对生物流体成分复杂、样本量波动和运动伪影等挑战。文章特别指出，谷歌智能隐形眼镜因生理相关性不足而终止，是这一阶段的典型案例。 * 临床前与产品化阶段：此阶段需要对原型机进行严格的实验室和动物模型测试以评估安全性和有效性。例如，Glumetrics公司的连续静脉葡萄糖监测系统因体内血栓形成而失败。另一大障碍是制造方法的可扩展性和成本效益，Proteus数字药丸虽获批准，但因成本问题最终未能获得市场认可。此外，大量数据的解读需要发展自监督学习，以及解决隐私侵犯和数据滥用的伦理问题。 * 部署与上市后阶段：监管审批是决定性关卡，Glysure的血管内葡萄糖监测系统因未获批准而导致公司倒闭。即使成功上市，上市后监管也至关重要，如GlucoWatch生物记录仪因导致皮肤灼伤而被停用，这突显了评估长期真实世界影响的重要性。

论文的价值与意义

该综述文章通过系统性地梳理慢性病的分子特征、纳米传感技术的最新进展以及多样化的体表界面平台，清晰地描绘了该领域从基础研究向临床转化的全景图。其科学价值在于，它并不仅是对技术的罗列，而是深入剖析了每个技术环节（从标志物选择、材料设计到器械形态）面临的挑战与应对策略，特别是关于标志物动态变化复杂性（如多因波动）的讨论，为传感器研发提供了深刻的生物学指导。其应用价值体现在，它为研究人员、工程师和政策制定者提供了一个清晰的商业化路线图，通过分析多个产品（如Eversense连续血糖监测仪、Freestyle Libre）成功或失败的案例，明确了每个转化阶段必须满足的严苛标准，这对于加速下一代个性化、主动式健康管理技术的落地具有重要的指导意义。