斯坦福大学跨学科研究机构之一斯坦福化学h的教职员工围坐在餐桌旁，一个接一个地发言，为合作研究提出想法。受最近一个医学难题的启发，斯坦福医学院(Stanford medicine)肿瘤学和生物化学教授朱棣文(Gilbert Chu)呼吁化学家帮助他制造一种传感器，这种传感器可以快速、简单、准确地测量血液中的氨含量。就在桌子的那一头，化学副教授马修·卡南(Matthew Kanan)发现了一个令人印象深刻的巧合:他的研究生托马斯·维尔特曼(Thomas Veltman)正在研究一种可以测量任何液体中氨的传感器。
斯坦福大学研究人员开发的手持氨血检测器和相关测试条的原型。(图片来源:托马斯·维尔特曼)
在八月号的ACS传感器上，Chu, Kanan, Veltman和他的同事Natalia Gomez-Ospina和Chun Tsai发表了他们合作的产品:一个手持便携式氨检测仪——就像用来测量血糖的血糖仪——测量手指或耳垂的氨含量。
氨是消化的自然产物，通常被肝脏加工成尿素，然后随尿液排出体外。血液中过多的氨会导致精神和生理功能障碍，对于那些患有肝病或遗传疾病的人来说，氨代谢会受到阻碍。这种新设备对患有这些代谢性疾病的新生儿尤其有益。在这一人群中，氨含量升高数小时内就可能造成脑损伤，为了治疗，一些家庭必须驱车长途以获得适当的检测。
儿科助理教授、论文的合著者纳塔利娅·戈麦斯-奥斯皮娜说:“我曾与患有这种疾病的孩子的家庭讨论过使用这种设备的问题，它让他们情绪激动，因为对他们来说，如果不能迅速准确地进行氨氮检测，后果将非常严重。”“对这些家庭来说，这可能会改变他们的生活。”
该传感器已经在容易氨含量升高的患者的血液样本上进行了测试，该设备的便携式版本也已经在含氨的血液样本上进行了测试。两种情况的结果都是准确的。现在，研究人员正在对该设备的设计和制造进行最后的调整，希望为符合美国食品和药物管理局(FDA)评估的研究做好准备。
医学谜
促使朱棣文提出合作建议的病人是她丈夫在健康状况恶化数周后送进医院的。她神志不清，不能走路。没有人知道她的问题是什么，直到一个标准的血浆测试显示她的氨含量非常高。
“我能想到的唯一一件事是:这难道是我的错吗?Chu说，他是该论文的共同高级作者与Kanan。“我看了看她正在接受的化疗。它是一种口服氟尿嘧啶，最古老的化疗药物之一。这不是一种已知的副作用，但时间与她的症状相符。”
根据这一线索，Chu发现，在她不知道的情况下，病人有一个解剖异常和基因突变，降低了她的身体代谢氨的能力。她服用的化疗药物阻碍了身体使用氨制造RNA的机制。这种阻滞反过来又使病人出现症状。
一旦了解，这是一个容易解决的问题，已知的治疗方法。但是，在途中，朱棣文了解到，测量氨含量的测试是令人震惊的艰巨——血液必须从静脉中抽取，在冰上快速运输到分析实验室，离心分离血浆，然后进行生化分析。即使一切顺利，结果至少需要两个小时，但问题经常出现。在治疗过程中，朱棣文抽取的血液样本被拒绝了两次。
“我和实验室讨论了他们的方案，并意识到，如果我有这个问题，肯定有很多社区医院在这些测试上有更大的困难，”Chu说。
研究人员s’临床研究中的一名患者是患有氨代谢紊乱的新生儿，31天内抽血132次，相当于新生儿平均总血容量的一半以上。
“在我们的研究中，病人的负担是一个强大的动力。有些人每天都要做好几次检查，每次检查都是单独抽取静脉。”“需要大量的血和疼痛，如果测试出问题，It’s就没有价值了。”
大,小问题
相比之下，目前的设备只需要一滴血——少于标准测试所需血液的1%——就可以用一根小手指或耳垂棒来获取。该设备本身大约有电视遥控器大小，和血糖仪一样，血液滴在插入一端的测试条上。它会在一分钟内报告氨的浓度。
虽然装置内部的传感器与现有的氨传感器非常相似——用于检测工业环境中的有毒氨气体——但测试条是从头开始制作的。涂在条带一端小孔上的血液会穿过一个显微通道，然后浸入另一端有纸衬里的小孔中，这个小孔上涂有一种廉价的化学物质，可以从样品中释放氨。在设备内部，这个井位于氨传感器的正下方。
在建造和测试这个原型的过程中，Veltman手工设计和建造了条带。他做了许多阶梯式的改进，优化了设计，使带钢可以简单廉价地批量生产。例如，在生产的两个最大的挑战是样品体积的微小和氨的自然粘性。
“我们减少的血量越多，问题就越多，”论文的第一作者Veltman说。“当你只有少量的氨时，表面化学问题变得非常重要。如果不是每条都正确，你就无法得到准确的读数，因为氨棒在不应该出现的地方。”
研究人员围绕他们的发明成立了一家公司，最终目标是获得FDA对这项技术的批准。
“从第一天开始，我们的目标就是为病人和他们的家人提供一种设备来改善健康状况，”Kanan说。“面对所有的挑战，有了这个目标，我们的合作才能真正地团结起来。”
Chun J. Tsai是斯坦福大学Sattely实验室的实验室经理和研究科学家，也是本文的合著者。朱也是斯坦福Bio-X的成员。儿童健康研究所(MCHRI)和斯坦福癌症研究所。Gomez-Ospina也是斯坦福Bio-X和吴氏神经科学研究所的成员。Kanan也是TomKat可持续能源中心的联合主任，Precourt能源研究所的高级研究员，斯坦福Bio-X和MCHRI的成员。
本研究由斯坦福化学h、斯坦福转译研究的星火计划、技术许可办公室赞助的斯坦福创新项目、斯坦福-库尔特转译研究计划和伊尼德·罗伯逊·洛根学院奖学金基金资助。
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新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/07/21/researchers-develop-portable-ammonia-detector/