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北化呂永琴教授等 AHM:基于固相印跡篩選合成用于腦利鈉肽選擇性識(shí)別和檢測(cè)的分子印跡納米顆粒
2023-02-25  來(lái)源:高分子科技

  心力衰竭(HF)是一種臨床綜合征,HF患者在確診后一年和五年內(nèi)死亡率分別約為20%53%。約17%-45%HF住院患者在入院一年內(nèi)死亡,只有不到一半的患者能夠存活五年以上。因此,早期診斷對(duì)于HF疾病的早期治療至關(guān)重要。腦利鈉肽或B型利鈉肽(BNP)是一種心臟神經(jīng)激素,是通過監(jiān)測(cè)心衰治療和預(yù)防心源性急性呼吸困難的發(fā)生來(lái)診斷心衰的最重要的心臟生物標(biāo)志物之一。健康個(gè)體血液中BNP 濃度極低,約為20 pg mL?1,重度充血性心衰患者濃度升至約2 ng mL?1目前已開發(fā)的用于BNP檢測(cè)的方法很多,然而,由于早期心衰患者血液中BNP含量很低,同時(shí)在體內(nèi)的半衰期很短(約22 min,目前大多數(shù)檢測(cè)方法不能滿足快速、準(zhǔn)確的要求。因此,開發(fā)一種快速、可靠、高靈敏度和高準(zhǔn)確度BNP檢測(cè)方法具有重要的研究意義。


  抗體、RNA/DNA適配體等親和試劑由于具有特定的親和力和選擇性而被廣泛應(yīng)用于BNP檢測(cè),然而這些生物分子存在價(jià)格昂貴不穩(wěn)定、易失活等局限性,從而限制其臨床應(yīng)用。分子印跡聚合物(MIP),通常稱為塑料抗體,具有制備簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),是生物親和試劑經(jīng)濟(jì)高效的替代品。


  為了合成對(duì)特定目標(biāo)物具有高親和力和選擇性的MIP,最佳單體配方選擇至關(guān)重要。目前,研究者已開發(fā)出基于HPLC、流動(dòng)注射分析或酶聯(lián)免疫吸附等方法實(shí)現(xiàn)最佳配方的快速篩選。盡管取得了良好的效果,但合成的MIP顆粒的印跡位點(diǎn)具有類似于生物多克隆抗體的異質(zhì)性


  近日,北京化工大學(xué)呂永琴教授等人在Advanced Healthcare Materials上發(fā)表了基于固相印跡法篩選合成可選擇性靶向B型利鈉肽(BNP的分子印跡納米顆粒的新方法。如圖1所示,作者使用磁性固相模板,基于固相印跡法篩選合成出含有均勻印跡結(jié)合位點(diǎn)的分子印跡聚合物納米顆粒(nanoMIP)。通過在nanoMIP合成中引入熒光單體熒光素丙烯酰胺(FAM)以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的熒光示蹤,進(jìn)而評(píng)估不同配方合成的nanoMIP對(duì)BNP結(jié)合性能,最終篩選出nanoMIP的最佳合成配方。將熒光碳量子點(diǎn)(CD包裹MIP納米顆粒中,可以快速、靈敏和準(zhǔn)確地測(cè)定血液樣本中BNP的含量。本研究提供了一個(gè)很有前景的診斷平臺(tái),基于固相印跡方法篩選合成MIP納米顆粒,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生物樣品中生物標(biāo)志物特異性識(shí)別和快速檢測(cè)。 


1. aBNP氨基酸序列結(jié)構(gòu);b)通過將表位多肽固定在SMCC功能化的磁性納米顆粒上制備磁性模板的過程示意圖;c)熒光FAM-MIP納米顆粒的合成過程;dMIP納米包裹碳量子點(diǎn)的合成過程;e)熒光法檢測(cè)血清樣品中的BNP。


  固相多肽模板的合成過程如圖1b所示,首先合成Fe3O4磁性顆粒,然后磁性顆粒表面覆二氧化硅殼,進(jìn)一步修飾氨基,通過表面氨基SMCC反應(yīng),引入馬來(lái)酰亞胺基團(tuán)來(lái)結(jié)合模板肽。如圖2所示,通過SEMTEM、DLSFTIR、XRDZeta電位等多種表征手段證明了磁性模板的成功合成。 


2. amagNPbmagNP@SiO2和(c)磁性模板(magNP-P)的SEM;dmagNP@SiO2 TEMmagNP,magNP@SiO2magNP@SiO2-NH2magNP-P的(e粒徑分布、(fFTIR光譜、(gXRD圖譜、(hXPS元素分析、(iZeta電位和(jVSM曲線。


  圖1c闡明了基于磁性模板的固相印跡法篩選、合成和純化熒光納米MIP的原理。為了制備具有高親和力的nanoMIP,構(gòu)建了功能單體組合化學(xué)文庫(kù)。將基于不同配方合成的熒光nanoMIP與磁性模板在96孔板中孵育,磁性分離后再與游離的多肽或蛋白質(zhì)孵育,則游離的多肽或蛋白質(zhì)會(huì)與磁性固相模板競(jìng)爭(zhēng)與熒光納米顆粒結(jié)合。磁分離測(cè)定殘余分散液的熒光強(qiáng)度,其強(qiáng)度的高低反映了不同nanoMIP對(duì)多肽和蛋白質(zhì)的親和力;诠滔嘤≯E篩選方法,最終確定最佳單體配方是10% AAc35% TBAm53% NIPAm。由圖3可以看出,基于最佳配方合成的nanoMIP對(duì)于目標(biāo)多肽以及目標(biāo)BNP具有良好的特異性和選擇性。 


3. a-c)通過使用磁性模板和熒光FAM單體的競(jìng)爭(zhēng)熒光分析對(duì)MIP合成配方進(jìn)行組合篩選d-e納米顆粒對(duì)干擾肽、BNP和干擾蛋白(HSABSA、Mb、OVABHb)的結(jié)合特異性。


  基于最佳單體配方合成的nanoMIP的表征結(jié)果如圖4所示。BLI測(cè)試結(jié)果表明,所得nanoMIP對(duì)BNP表現(xiàn)出高親和力和選擇性,平衡解離常數(shù)(KD達(dá)10?11 M,可在7分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)BNP快速檢測(cè),檢測(cè)線性范圍為0.255000 pg mL?1,檢測(cè)限為0.208 pg mL?1。為證明其在臨床診斷中的實(shí)用性,作者對(duì)160例真實(shí)血清樣本進(jìn)行了檢測(cè)分析,如圖5所示,與醫(yī)院常規(guī)使用的電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)方法相比,該檢測(cè)方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.08%-4.43%相對(duì)誤差-5%-4.98%,相關(guān)系數(shù)為0.994 


4.a-d納米顆粒的SEMTEM圖;e粒徑分布;fZeta電位gFTIR光譜;hXPS元素分析i)奈奎斯特圖。 


5. 真實(shí)血清樣本的檢測(cè)結(jié)果


  與已報(bào)道的檢測(cè)方法相比,該方法的創(chuàng)新性和優(yōu)點(diǎn)包括:1)開發(fā)了一種基于固相印跡方法篩選合成含有均勻印跡位點(diǎn)的分子印跡人工抗體的新方法;2)利用低成本﹑高穩(wěn)定性的分子印跡人工抗體替代價(jià)格昂貴﹑易失活﹑不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)抗體;3)開發(fā)了一種可快速﹑準(zhǔn)確檢測(cè)BNP的新方法,該方法可在7分鐘內(nèi)完成對(duì)血清樣品中低濃度BNP的快速檢測(cè),檢測(cè)方法具有高靈敏度和準(zhǔn)確性。


  相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上,北京化工大學(xué)研究生張子楹和中日友好醫(yī)院檢驗(yàn)科副主任為共同第一作者,呂永琴教授為通訊作者。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202300146


通訊作者簡(jiǎn)介


呂永琴,北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者,北京市生物加工過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要在生物化工領(lǐng)域從事以下三個(gè)研究方向:(1) 限域微環(huán)境調(diào)控生物酶催化;(2) /電驅(qū)動(dòng)生物催化;(3) 仿生抗體工程及疾病診療。相關(guān)研究成果發(fā)表論文70余篇,申請(qǐng)發(fā)明專利二十余項(xiàng)。先后主持了國(guó)家、省部級(jí)及企業(yè)合作項(xiàng)目十余項(xiàng)。獲侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)青年獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、石油化工聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

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