自然·通訊 | 湖南師范李海濤/朱效華/山東師范唐波團隊助力結直腸癌無痛診斷

腸道微生物組與人體健康息息相關，它們參與免疫調節、營養代謝，甚至影響神經系統。一旦菌群失衡（即“生態失調”），就可能與結直腸癌（CRC）等多種疾病的發生發展密切相關。然而，當前檢測腸道菌群的主流方法——如16S rRNA基因測序——雖然準確，但成本高昂、耗時較長且需要專業設備，難以滿足快速臨床篩查的需求。因此，開發一種快速、簡便且經濟的腸道菌群檢測新工具，對于疾病早期發現和個性化治療具有重要意義。

2026年4月8日，湖南師范大學化學化工學院李海濤/朱效華、山東師范大學唐波研究團隊，聯合多家機構在《自然·通訊》上發表題為《基于硼酸傳感器陣列的人類腸道微生物指紋圖譜分析及其在結直腸癌分類中的應用》的研究。該研究開發了一種名為GUT-SCAN的新型化學傳感器陣列，能夠快速生成腸道菌群的獨特“熒光指紋”，并以極高的準確率識別結直腸癌患者的不同病理階段。

研究團隊首先設計并合成了六種基于芘的硼酸衍生物探針（BP1-BP6）。這些探針能夠與細菌細胞壁表面富含的“順式二醇”結構發生可逆結合。通過改變探針上的化學基團，可以精準調節其結合能力（解離常數pKa從約7.5到9.0不等）。同時，實驗發現這種結合作用具有強烈的pH依賴性：在較低pH（6.0）下結合較弱，在較高pH（8.2）下結合顯著增強。這為后續構建多通道傳感器提供了關鍵的理論基礎。

為了驗證探針與細菌的相互作用，研究者以典型益生菌植物乳桿菌為模型。結果顯示，隨著細菌濃度增加，所有探針的熒光強度均逐漸上升。在不同pH環境下，不同探針表現出差異化的熒光響應：例如BP1-BP3在pH 6.0時響應更強，而BP4-BP6在pH 7.4時更敏感。通過細菌粘附碳氫化合物實驗和共聚焦顯微鏡成像，直接證實了探針成功結合在細菌表面。這種多樣化的熒光響應模式，是構建傳感器陣列以實現菌群區分的前提。

基于上述發現，團隊構建了一個由6種探針 × 3種pH條件（6.0、7.4、8.2）組成的18通道傳感器陣列，命名為GUT-SCAN。當分別檢測10種不同腸道細菌（包括益生菌、共生菌和致病菌）時，每種細菌都產生了獨特且可重復的熒光響應模式。通過線性判別分析算法處理，這10種細菌在二維圖上被完美分離為10個不重疊的簇，分類準確率達到100%。即使是未知樣本，該陣列也能以98%的正確率進行識別。

該傳感器陣列不僅能區分菌種，還能實現定量分析和混合菌群識別。對于單一細菌（如植物乳桿菌或大腸桿菌），熒光響應信號強度與細菌濃度（OD600從0.4到1.0）呈現良好的線性關系。更令人印象深刻的是，當將益生菌（植物乳桿菌）與致病菌（大腸桿菌或金黃色葡萄球菌）按不同比例混合時，GUT-SCAN成功區分了所有9種不同的混合比例（從9:1到1:9），表明其具備解析復雜微生物群落細微結構變化的能力。

最后，研究團隊將GUT-SCAN應用于臨床結直腸癌診斷。他們分析了來自健康志愿者、早期結直腸癌患者（I-II期）和晚期結直腸癌患者（III-IV期）的糞便樣本。結果顯示，三組樣本的微生物組熒光指紋在二維判別圖上形成了三個明顯分離的聚類。通過16S rRNA測序驗證，結直腸癌患者的菌群多樣性顯著降低，且特定菌門（如厚壁菌門減少、變形菌門增加）發生變化，與傳感器結果高度一致。在對147個盲樣（包括健康、早期/晚期癌、炎癥和腺瘤樣本）的測試中，GUT-SCAN區分健康與晚期結直腸癌的曲線下面積達到1.00，區分健康與早期癌為0.99，區分早期與晚期癌為0.92，展現了優異的無創診斷和分期潛力。

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