金属纳米材料用于酶的活性检测及其抑制剂的筛选

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许多疾病的发生往往伴随着酶活性的异常变化,通过抑制酶的活性能够起到改善或治疗疾病的作用。因此,建立高效传感平台用于检测酶的活性、筛选其抑制剂对相关疾病的临床诊断和治疗具有重要的理论意义和实践价值。金属纳米簇作为一种新型纳米材料而被广泛的应用于生物医学领域。基于此,本论文结合金属纳米簇的物理化学优势构建了三个生物传感平台,分别应用于人体内三种水解酶的活性检测及其抑制剂的筛选,具体内容如下:(1)α-葡萄糖苷酶(α-Glucosidase,α-Glu)的活性和糖尿病的发展密切相关,已被用作临床诊断的生物标志物和治疗靶点。在本研究中,4-硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷(4-Nitrophenyl-α-D-glucopyranoside,NGP)作为底物并在α-Glu的催化下水解产生4-硝基苯酚(4-nitrophenol,4-NP)。基于4-NP对正十二烷基硫醇封端的铜纳米簇(1-dodecanethiol-capped Cu nanoclusters,DT-Cu NCs)的淬灭作用,实现了α-Glu的定量检测。另外,该策略成功用于中草药提取物(枸杞、山楂、罗汉果、石榴皮)中筛选α-Glu抑制剂。最后,DT-Cu NCs与聚乙烯管中的琼脂糖水凝胶混合,形成了一种可视化装置用于高通量、高灵敏地筛选α-Glu抑制剂。(2)胰蛋白酶的生化指标被用于急性胰腺炎等疾病的临床诊断。目前,以大分子蛋白质为底物的检测方式灵敏度差。这是由于蛋白质二级结构中的α-螺旋和β-折叠会阻碍胰蛋白酶对蛋白质的水解,从而影响检测方法的灵敏度。在此,九个精氨酸组成的短肽RRRRRRRRR(Arg9)和谷胱甘肽封端的金纳米簇(glutathione-capped gold nanoclusters,GSH-Au NCs)共价偶联形成了带正电的探针Arg9-GSH-Au NCs。带负电的聚尿苷酸(polyuridylic acid,poly U)作为触发剂,通过静电引力形成poly U/Arg9-GSH-Au NCs复合物,产生聚集诱导发射增强(aggregation-induced emission enhancement,AEE)效应。胰蛋白酶的加入导致Arg9的水解和探针正电荷的减少,polyU/Arg9-GSH-AuNCs复合物解离,GSH-Au NCs的AEE显著减弱。基于此,该方法成功实现了胰蛋白酶的灵敏检测,检测限(limit of detection,LOD)低至0.31 ng·m L-1。最后,所提出的方法应用于从各类豆粉中筛选出胰蛋白酶的最佳抑制剂,表明所建立的生物传感器在生物分析以及新药研发中具有很大潜力。(3)碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)在细胞信号传递、蛋白质活性调节等过程中发挥着重要的作用,已被作为生物标志物用于肝病、癌症等疾病的前期诊断。在本文中,首次以G-四链体(G-quadruplex,G4)为模板合成了新型荧光材料G4-Cu NCs,利用其无标记荧光探针的特性实现了ALP的灵敏检测。当添加三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)时,Cu2+和ATP之间的相互作用导致G4-Cu NCs的荧光猝灭。ALP的加入触发ATP的水解,因此G4-Cu NCs的荧光强度逐渐恢复。基于以上原理测得ALP线性范围分别为10-500 U/L,相应的LOD低至2.8 U/L。此外,基于以上原理成功应用于人血清样品中ALP的检测。综上所述,所建立的新型传感平台在疾病的早期诊断以及生物分析中具有较大的应用前景。
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