科学家创造荧光探针来检测与阿尔茨海默氏症早期相关的酶
阿尔茨海默氏病是一种神经退行性疾病,会导致许多60岁以上的人记忆力减退并损害认知能力。目前用于检测该疾病表现的技术(MRI、PET和CT扫描)复杂、昂贵,而且往往无法得出结论结果。
“我们的目标是找到一种可靠的、具有成本效益的解决方案,”印度科学研究所(IISc)无机和物理化学(IPC)系助理教授DebasisDas说。在发表在《分析化学》上的一项研究中,他和IPC的CV拉曼博士后研究员JagpreetSidhu设计了一种小分子荧光探针,可以感知与阿尔茨海默病进展相关的特定酶。这样的探针可以很容易地制成基于条带的套件,可以进行现场诊断。
“荧光探针本身不发荧光,但在与目标酶反应后,它们会发出荧光,”Das解释说。“我们的目标酶是乙酰胆碱酯酶(AChE)。”研究表明,在阿尔茨海默病的早期阶段,AChE水平变得不平衡,从而使其成为该疾病的潜在生物标志物。
脑细胞或神经元会分泌神经递质——指示其他细胞执行某些功能的信号分子。乙酰胆碱(ACh)就是这样一种神经递质;它在我们神经系统中的水平受到AChE等酶的严格控制,AChE将其分解为两部分——乙酸和胆碱。目前的方法通过测量胆碱水平间接确定AChE水平。他们还经常给出混杂的结果,因为AChE有“姊妹酶”,例如丁酰胆碱酯酶和胆碱酯酶,它们作用于相似的底物,包括ACh,Das说。
该团队首先分析了酶(AChE)和底物(ACh)的晶体结构。然后,他们设计了一种模拟ACh的合成分子。该团队开发的探针有一个结构元素(季铵)与AChE特异性相互作用,另一个结构元素与AChE的活性位点结合并被消化(就像天然ACh一样),发出荧光信号。该团队调整了两种元素之间的距离,使其与酶紧密结合。“在以前的报告中,人们没有使用这种季铵盐基团。因此,他们无法获得特异性和选择性,”该研究的第一作者Sidhu说。
为了测试探针被酶特异性消化的能力,该团队使用了市售的AChE以及在细菌中表达的实验室制造的人脑AChE。研究人员表示,虽然AChE过去曾从人脑中提取、纯化和结晶,但这是第一次在细菌系统中克隆和表达后以活性形式纯化AChE。
该团队与IISc发育生物学和遗传学系的DeepakSaini实验室合作,表明荧光探针也可以进入实验室培养的脑细胞,并在与AChE接触时发出荧光。
“我们现在有了概念验证和领先优势。我们的目标是将其转化为阿尔茨海默病模型。为此,我们需要修改探针,”Das说。目前,该探针具有紫外线活性,高剂量对组织有害。“这些修改将导致近红外有源探针的发展,这对活细胞来说更安全,并允许深层组织成像。我们已经非常接近这样做了。”
Sidhu补充说,除了阿尔茨海默病之外,这种探针还可以用于其他应用,例如检测农药相关中毒,因为AChE可以被某些农药中使用的化合物抑制。
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