研究人员想用动物干细胞制造“机器鼻子” 但鼻粘液的关键成分是一大障碍

每天，成千上万训练有素的警犬或军犬在美国各地嗅出毒品、爆炸物和失踪人员。这些狗狗对于公众安全作出了莫大贡献，而它们不仅训练成本非常昂贵，可能会感到疲倦，甚至在任务中受伤。

杜克大学的研究人员迈出了建立一个人造“机器鼻子”装置的第一步，该装置由活细胞制成，可供人类使用而不是狗狗。

研究人员已经开发出一种基于老鼠基因的气味受体的原型，这种基因对目标气味有反应，包括可卡因和爆炸物的气味。他们的研究成果于本月初发表在《自然通讯》杂志上。

事实证明，在实验室的培养皿中测试和在真实的鼻子中测试有很大的区别。

“这种人造鼻子的想法已经存在很长时间了。”研究作者、杜克医学院分子遗传学和微生物学教授Hiroaki Matsunami说，“这些受体是在20世纪90年代发现的，但生产所有这些受体并监测活性存在重大技术障碍，因此我们可以在人工装置中使用它。”

Matsunami说，现在存在的“电子鼻”使用各种化合物来检测气味，而不是受体干细胞。他说这些设备“不如训练有素的狗狗效果好”。

“我们的想法是，通过使用实际的、活的受体，也许我们可以开发出类似于动物的装置。”Matsunami说，“目前还没有人实现这一目标，但这项研究正朝着这一目标迈进。”

人类，狗和小鼠基因组包含大约20,000个基因，其中包含创建蛋白质的指令，这些蛋白质可以闻到、品尝、感觉、移动并完成我们身体所做的一切。 Matsunami说，大约5%的小鼠基因被确定为制造气味受体的指令。相比之下，人类仅使用约2%的基因来制造气味受体。

“这些动物为此目的投入了大量资源。”Matsunami说，“小鼠和大鼠有着很好的嗅觉器官;在现实生活中，我们只是没有用老鼠来检测的爆炸物。有一些实际问题要解决。”

该研究的第一步是确定最佳的气味受体，以响应目标气味，如可卡因或大麻。

研究人员创造了一种由分子构成的液体介质，分子可以从反应中发光。接下来，他们从老鼠身上复制了大约80%的气味受体，并将这些受体与培养基中的七种目标气味化学物质混合。

他们测量了所产生的光，并选择了性能最佳的气味受体作为研究的第二部分，实时监测受体的活化性。

以前的研究是通过将选定的受体暴露于液体中的气味化学物质来完成的。但是培养皿和鼻子之间存在一些差异。首先，我们很少将我们的鼻子浸入气味化学品的液体浴中。相反，我们的鼻子可以检测出漂浮在空气中的香水或难闻的气味。而且我们的鼻子里充满了粘液。

因此，在研究的第二部分，由国家卫生研究院资助以及国防高级研究计划机构RealNose Project支持，他们试图模仿我们如何通过将气味暴露于蒸气和少量酶中来使用我们的鼻子。

为了这项研究，研究人员测试了他们识别出的两种不同气味的受体。

“我们在论文中只测试了其中两个，但它显示了如何使用它的原理证明。”Matsunami说。

研究人员希望他们可以对设备进行微调，以测试所有受体对抗许多不同的气味。

“我们有一组受体，因此我们可以监测不同受体对各种气味的不同反应，包括化学结构相似或可能与实际使用相关的气味，如与爆炸物或药物。”Matsunami说。

研究人员还测试了人们可能在粘液中发现的各种酶，以了解它们如何帮助或阻止反应。这个过程比直接与气味受体相互作用的蒸气分子更加真实。

“你可能会想到，当我们闻到一种化学物质时，这种化学物质会与鼻子中的化学受体结合，但事实并非如此简单。”Matsunami说。 “当化学物质在与受体结合之前溶解在鼻粘液中时，它可能会被鼻粘液中的酶转化为另一种化学物质。”

在理解我们的气味方面，粘液是一个未知的前沿。 据该报称，重建鼻粘液的关键成分可能是构建人工鼻子的下一步。

“我们的论文不会立即应用于机场使用的便携式设备，但这是向前迈出的重要一步，表明它是可能的。”Matsunami说，“我们可以更清楚地看到，为了让社区创建这样一个设备，需要跨越哪些障碍。”