Биосенсор для высокопроизводительного измерения метаболита-индикатора заболеваний

Ученые из Института нанобионаук (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы разработали биосенсор, который на порядки повышает чувствительность к 1-метилникотинамиду (1-MNA) в моче без необходимости очистки образца. Работа опубликована в журнале Analytical Chemistry.

Уровни метаболитов — распространенный индикатор заболеваний. В частности, уровень 1-MNA повышается при раке, заболеваниях печени, ожирении и метаболических заболеваниях. В настоящее время для измерения количества метаболитов обычно используют масс-спектрометрию и ЯМР, но эти методы дороги и сложны, что ограничивает их широкое применение.

Вместо этого Масая Уэно, Томоки Огоши и Ацуси Хирао из WPI-NanoLSI использовали молекулу типа пиллар[6]арена в качестве биосенсора. Это позволило обойтись без высокой степени очистки, необходимой для других молекул-биосенсоров 1-MNA, и одновременно повысить чувствительность и специфичность.

1-MNA образуется в организме путем метилирования никотинамида (Nam) ферментом никотинамид-N-метилтрансферазой (NNMT) в процессе метаболизма витамера витамина B3 ниацина.

Таким образом, его уровень отражает активность NNMT, которая повышена при некоторых видах рака. Есть данные, что уровни 1-MNA коррелируют с агрессивностью опухоли, а подавление гена NNMT ослабляет некоторые поведенческие симптомы заболеваний.

Исследователи поясняют: «Мониторинг экспрессии и активности NNMT у пациентов путем количественного определения 1-MNA важен для выяснения и диагностики их патологии».

Ранее они уже демонстрировали потенциал молекулы пиллар[6]арена, функционализированной 12 карбоксилат-анионами (P6AC), в качестве сенсора 1-MNA, поскольку она связывается с 1-MNA и подавляет флуоресценцию за счет фотоиндуцированного переноса электрона.

Однако требовалась тщательная очистка образца, и даже тогда биосенсор P6AC, хотя и мог обнаруживать миллимолярные концентрации в моче мышей, не обладал достаточной чувствительностью для обнаружения микромолярных концентраций в культуральных супернатантах человеческих раковых клеток.

Чтобы найти биосенсор с лучшей чувствительностью, исследователи изучили связывание между 1-MNA и пиллар[6]ареном, функционализированным сульфонатными группами (P6AS).

Они обнаружили, что сродство связывания было в 700 раз выше, чем у P6AC. Это привело к созданию биосенсора с субмикромолярной чувствительностью, даже в неочищенной человеческой моче (хотя обнаружение более высоких концентраций в моче мышей было лучше). Однако исследователи отметили, что обнаружение в человеческой сыворотке невозможно из-за более высокого уровня автофлуоресценции.

Для сравнения, чувствительность масс-спектрометрии достигает наномолярного уровня, но ее пропускная способность гораздо ниже. Исследователи предполагают, что высокая пропускная способность биосенсора P6AS может сделать его пригодным для скрининга тысяч потенциальных ингибиторов NNMT, что может помочь в разработке методов лечения таких заболеваний, как болезни печени и рак.

Исследователи объясняют более высокую чувствительность более сильной кислотностью сульфонатных групп по сравнению с карбоксилатными. Они заключают: «Дальнейшее совершенствование нашей стратегии будет способствовать высокопроизводительному скринингу ингибиторов NNMT, диагностике заболеваний печени и визуализации человеческих раковых клеток in vivo».