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新型生物传感器在15分钟内定量检测一滴血中的代谢物浓度
发表日期: 2018-10-08 作者: Qiuliyang Yu等 文章来源:Science
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在一项新的研究中,来自德国马克斯-普朗克医学研究所、海德堡大学儿童医院、瑞士洛桑联邦理工学院和洛桑大学医院的研究人员开发出一种新型生物传感器,它能够利用一滴血准确地定量测试代谢物浓度。这种方法的准确性和简单性可能让它成为一种诊断和监测多种疾病的首选工具。相关研究结果发表在2018914日的Science期刊上,论文标题为“Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care”。论文通信作者为马克斯-普朗克医学研究所的Kai Johnsson教授。

疾病或损伤能够导致血液中的代谢物水平发生显著变化,其中代谢物是人体新陈代谢产生的化合物。比如,血液中增加的苯丙氨酸水平是遗传疾病苯丙酮尿症(PKU)的一种典型特征。患有PKU的婴儿中的血液苯丙氨酸水平需要通过饮食加以控制,以避免不可逆的大脑损伤。因此,必须能够定期监测血液中的苯丙氨酸水平。

然而,这种监测当前需要将血液样品送到实验室,而且结果需要几天才能到达患者手中。这种延迟常常使PKU患者及其医生对疾病的管理复杂化。如果能够即时测试(POCT)疾病相关代谢物的血液浓度(理想情况下由患者自己开展),则对多种疾病的治疗就可能得到改善。

为了解决这个问题,这些研究人员开发出一种在几分钟内测量少量血样中代谢物浓度的方法。这种方法已在海德堡大学儿童医院和洛桑大学医院的患者中得到验证。

分子工程

论文第一作者、马克斯-普朗克医学研究所化学生物学系研究员Qiuliyang Yu说,我们介绍了一种通过血液分析测量代谢物的全新机制。我们开发出一种新的分子工具,而不是将现有技术小型化。这种分子工具是一种发光蛋白,它在还原的辅因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, 缩写为NADPH)的存在下会改变颜色。NADPH分子能够在对感兴趣的代谢物特异性的酶催化反应中产生,这意味着能够通过分析发出的光的颜色来确定代谢物浓度。通过使用不同的酶催化反应,这种新型的生物传感器就能够对苯丙氨酸、谷氨酸和葡萄糖等各种代谢物进行定量测定。

快速而且准确

事实上,这种方法是非常简单的。就苯丙氨酸而言,通过无痛手指刺破从患者身上取出一滴血。然后将一部分血液样品加入反应缓冲液中并且将它添加到含有这种生物传感器的试条上。当苯丙氨酸被消耗和NADPH产生时,这种生物传感器发出的光会呈现出从蓝色变为红色的颜色变化---这种变化可通过日常的数码相机或智能手机加以检测。随后这种颜色变化就被用来计算苯丙氨酸浓度。

这种方法的整个过程仅需1015分钟,能够做到即时测试(POCT),而且所需的血液量仅为0.5μl。它是如此简单和准确以至于患者最终应当能够自我测试,这是科学家正在追求的目标。Yu总结道,我们如今正在寻找进一步自动化和简化这种测试的方法。(来源:生物谷 Bioon.com

 

Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care

 

Abstract  Monitoring metabolites at the point of care could improve the diagnosis and management of numerous diseases. Yet for most metabolites, such assays are not available. We introduce semisynthetic, light-emitting sensor proteins for use in paper-based metabolic assays. The metabolite is oxidized by nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, and the sensor changes color in the presence of the reduced cofactor, enabling metabolite quantification with the use of a digital camera. The approach makes any metabolite that can be oxidized by the cofactor a candidate for quantitative point-of-care assays, as shown for phenylalanine, glucose, and glutamate. Phenylalanine blood levels of phenylketonuria patients were analyzed at the point of care within minutes with only 0.5 microliters of blood. Results were within 15% of those obtained with standard testing methods.

 

原文链接:http://science.sciencemag.org/content/sci/361/6407/1122.full.pdf

 


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