Science：新型生物感測器在15分鐘內定量檢測一滴血中的代謝物濃度

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在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克醫學研究所、海德堡大學兒童醫院、瑞士洛桑聯邦理工學院和洛桑大學醫院的研究人員開發出一種新型生物感測器，它能夠利用一滴血準確地定量測試代謝物濃度。這種方法的準確性和簡單性可能讓它成為一種診斷和監測多種疾病的首選工具。相關研究結果發表在2018年9月14日的Science期刊上，論文標題為「Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care」。論文通信作者為馬克斯-普朗克醫學研究所的Kai Johnsson教授。

疾病或損傷能夠導致血液中的代謝物水平發生顯著變化，其中代謝物是人體新陳代謝產生的化合物。比如，血液中增加的苯丙氨酸水平是遺傳疾病苯丙酮尿症（PKU）的一種典型特徵。患有PKU的嬰兒中的血液苯丙氨酸水平需要通過飲食加以控制，以避免不可逆的大腦損傷。因此，必須能夠定期監測血液中的苯丙氨酸水平。

然而，這種監測當前需要將血液樣品送到實驗室，而且結果需要幾天才能到達患者手中。這種延遲常常使PKU患者及其醫生對疾病的管理複雜化。如果能夠即時測試（POCT）疾病相關代謝物的血液濃度（理想情況下由患者自己開展），則對多種疾病的治療就可能得到改善。

為了解決這個問題，這些研究人員開發出一種在幾分鐘內測量少量血樣中代謝物濃度的方法。這種方法已在海德堡大學兒童醫院和洛桑大學醫院的患者中得到驗證。

分子工程

論文第一作者、馬克斯-普朗克醫學研究所化學生物學系研究員Qiuliyang Yu說，「我們介紹了一種通過血液分析測量代謝物的全新機制。我們開發出一種新的分子工具，而不是將現有技術小型化。」這種分子工具是一種發光蛋白，它在還原的輔因子煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, 縮寫為NADPH）的存在下會改變顏色。NADPH分子能夠在對感興趣的代謝物特異性的酶催化反應中產生，這意味著能夠通過分析發出的光的顏色來確定代謝物濃度。通過使用不同的酶催化反應，這種新型的生物感測器就能夠對苯丙氨酸、谷氨酸和葡萄糖等各種代謝物進行定量測定。

快速而且準確

事實上，這種方法是非常簡單的。就苯丙氨酸而言，通過無痛手指刺破從患者身上取出一滴血。然後將一部分血液樣品加入反應緩衝液中並且將它添加到含有這種生物感測器的試條上。當苯丙氨酸被消耗和NADPH產生時，這種生物感測器發出的光會呈現出從藍色變為紅色的顏色變化---這種變化可通過日常的數碼相機或智能手機加以檢測。隨後這種顏色變化就被用來計算苯丙氨酸濃度。

這種方法的整個過程僅需10到15分鐘，能夠做到即時測試（POCT），而且所需的血液量僅為0.5μl。它是如此簡單和準確以至於患者最終應當能夠自我測試，這是科學家正在追求的目標。Yu總結道，「我們如今正在尋找進一步自動化和簡化這種測試的方法。」

參考資料：

Qiuliyang Yu1,2, Lin Xue1, Julien Hiblot et al. Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care. Science, 14 Sep 2018, 361(6407):1122-1126, doi:10.1126/science.aat7992.

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