用于实时细胞内分析的纳米传感器

Nanosensors for real-time intracellular analytics

论文信息：

Nature Nanotechnology | Volume 20 | October 2025 | 1374–1387 DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02032-w

主讲人：马汇祯，2025年12月21日

研究背景：

 现代生物学和精准医学的一个基本目标是在实时、单细胞分辨率下从细胞中获取丰富 的多组学风格信息，包括转录组学、蛋白质组学、代谢和电生理数据。然而，当前技术通常 依赖于需要细胞裂解的破坏性终点检测，从而失去空间、时间和动态背景。纳米级传感器通 过实现对细胞内活动的微创连续监测，提供了一种变革性解决方案。在此，我们提出细胞内 传感技术的空间分类——近细胞、细胞上和细胞内——并基于侵入性、信号保真度和分辨 率，利用这一框架评估各种传感模式。我们重点介绍能够检测离子、代谢物、电信号和机械 变化的新兴传感器平台，以及用于解码复杂细胞数据流的人工智能驱动策略。我们进一步考 虑将这些纳米传感器整合到三维、生理相关模型（如类器官）中，以创建能自主实时报告其 内部状态的"智能类器官"。最后，我们讨论了实现智能细胞内传感的主要挑战，包括传感器 微型化、生物相容性、多重检测和三维集成等问题。总之，这些进步为动态、高分辨率细胞 分析的新时代奠定了基础，可加速药物发现、疾病建模和个性化医疗。

研究内容：

 本综述介绍了专门针对细胞内生物标志物监测的实时传感策略的最新进展，即使检测发 生在细胞邻近区域或膜界面处也是如此。我们首先概述了与临床和生理相关细胞内靶标传感 相关的主要动机和挑战。然后，我们考察了能够实现细胞内空间进入的传统和新兴工具，重 点介绍改善分辨率和实时能力的技术障碍与创新。综述的主要部分根据传感元件的空间放置 ——近细胞、细胞上和细胞内——对传感策略进行分类，并讨论其工作原理、性能特征、优 势和局限性。提出一种前瞻性的"细胞内实验室"模型，该模型通过单细胞水平的多模态实时传感 来揭示复杂的亚细胞动态。这种方法提供了以时间分辨方式解码细胞对内源性和外源性刺激 之间相互关联响应的潜力，最终增进我们对疾病机制的理解，并为新型生物标志物的发现铺 平道路。 

要点：

 当我们进入先进生物医学研究时代，实时细胞内纳米传感器展现出巨大前景。这些微型 "细胞内实验室"平台能够对活细胞内的物理参数（如温度、刚度或压力）和化学生物标志物 （如离子、蛋白质或小分子）进行同步、多重和多模态监测。它们为动态细胞过程提供洞察， 促进疾病早期检测、个性化干预和治疗效果的高分辨率评估。这在解析细胞群体异质性以及 改善单细胞水平的药物靶向、药效学和药代动力学方面尤为有价值。一个特别令人兴奋的前 沿领域是"细胞可穿戴设备"⁵²的出现，这些纳米传感器能够贴合细胞复杂的几何结构，实现 对细胞行为的实时连续监测和调控。这些技术不仅改变了我们观察细胞-环境相互作用的能 力，还正在生成以前无法获得的海量数据集。最终，实时细胞内传感与先进组织模型（如类器官——源自干细胞的 3D 自组织结构， 可模拟天然器官的关键特征）的融合，可能催生出能够持续监测并报告其内部状态的"智能 类器官"，用于个性化诊断和治疗优化。

总结与展望：

   尽管前景广阔，实时细胞内纳米传感器走向广泛应用和普及的征程充满挑战，但也为创 新和进步提供了机遇。应对这些挑战将加速具备多重检测和多模态能力的实时细胞内纳米传 感器的开发与商业化，从而全面理解细胞机制。先进制造技术、生物相容性材料、灵敏检测 方法与AI驱动的数据分析的整合，是解锁纳米传感器全部潜力的关键。成功的细胞内纳米 传感器有望彻底改变医学和医疗保健，并增强我们对细胞宇宙的理解，从而实现更早期的疾 病检测、更准确的药物反应评估和个性化治疗干预。随着我们继续突破技术和生物学的边界， 纳米传感器与AI的融合代表着朝着未来迈出的重要一步——届时我们能够以极高的精确度 和洞察力监测并影响细胞过程。