AM | 基于纳米孔的无标记单分子测序技术助力精准诊断

哈尔滨工业大学（深圳）马兴毅团队、西安交通大学赵永席团队和武汉大学翟月明团队系统研究了纳米孔无标记单分子测序在精准诊断中的进展。文章聚焦于器件制备和信号分析层面的优化，基于此进一步展示了该技术在DNA与蛋白质测序的最新突破，并围绕信噪比与时空分辨率提出多种改进策略。此外，本研究通过临床样本验证，评估了纳米孔单分子测序技术体系在遗传病突变检测、病原体快速鉴定及循环肿瘤DNA分析等疾病诊断中的实际效果，并针对其在灵敏度、检测范围、选择性等方面的关键瓶颈，提出了一种融合微流控集成、特异性表面功能化与深度学习算法的综合解决方案。

文章具体从以下五个方面对纳米孔无标记单分子测序技术进行了深入且全面的分析。

（1）在原理层面，纳米孔优异的传感性能源于对离子电流变化的实时记录。目前，通过耦合多种光学策略（如暗场散射、荧光、等离激元效应、表面增强拉曼散射等）和场效应晶体管，为纳米孔装置提供了更全面的信号读取方式。

（2）在器件层面，生物纳米孔和固态纳米孔互为补充。前者具有原子级别的结构均一性，通过定点突变可精确调控孔道内径与电荷分布，从而显著提升对特定核苷酸或氨基酸的识别分辨率；后者则在机械稳定性、孔径可调性及与微纳加工工艺的兼容性上更具优势，更易于实现高通量阵列化集成，并已形成包括离子/电子束加工、TEM钻孔、介质击穿、纳米压印和化学刻蚀在内的多种制备路线。

（3）在应用层面，纳米孔核酸测序的核心在于分子的易位控制和多个碱基的同时识别。基于此，该研究围绕信噪比与时空分辨率提出了多种改进策略，如利用马达蛋白控制易位速度、设计非平衡态测量环境以及开发新型二维材料孔道等，从而实现对单分子的精准识别。蛋白质测序同样存在相似的问题。文中重点解析了肽-寡核苷酸偶联物、电渗透力-电泳力互作体系、工程化设计、功能性分子偶联等策略在分子有效捕获和易位以及氨基酸序列高效准确识别中的关键作用。

（4）在临床层面，各类样本诊断进一步证实了该技术在遗传病（包括单核苷酸多态性检测、产前筛查和诊断、孟德尔病和罕见遗传病）、传染病（包括快速识别病原体和耐药基因、监测病毒进化和传播）、癌症（包括肿瘤基因组和转录组、循环肿瘤DNA）和异常翻译后修饰中的应用潜力。在遗传病领域，纳米孔的长读长优势使其能精准捕捉复杂基因组的结构变异，利用商业化平台可同时识别多种致病基因的缺陷位点；在感染性疾病中，该技术支持现场快速测序，实现病原体的实时鉴定，准确率超过99%，为常规的PCR扩增提供了快速便捷的替代方案；在癌症早筛方面，纳米孔可直接检测甲基化等表观遗传修饰，无需复杂的化学预处理，准确率高达98.4%。

（5）在未来发展层面，纳米孔在检测超低浓度以及相似结构待测物方面存在灵敏度、检测范围及特异性的本征缺陷。随着新型信号处理手段和纳米孔类型的出现，融合微流控集成、特异性表面功能化以及人工智能算法的综合解决方案，为构建更具鲁棒性的下一代诊断平台奠定了基础。