成功开发荧光无纺乳酸传感器织物〜发现电场无纺布的纤维内部是荧光传感器蛋白质有效的工作场所〜

演示要点

〇成功开发出选择性响应乳酸并发出荧光的荧光传感器无纺布
〇这是世界上第一个将基于蛋白质的传感器分子保留在水不溶性无纺布的纳米纤维内而不会变性和失活并在那里发挥作用的例子
〇穿戴式、植入物预计用于实验室型医疗传感器设备

摘要

　研究小组包括V体育工学研究生院的Yuna Kato先生（工学硕士课程2年）、Toshihisa Mizuno副教授等人以及东京大学助理教授Yusuke Nasu，罗伯特·E·坎贝尔与教授合作开发的荧光传感器蛋白，在与乳酸结合后大大增加荧光强度eLACCO11^（注1），分子渗透性取决于分子量的电场无纺布^（注2）在纳米纤维内部，我们成功开发了一种用于乳酸的“荧光型荧光传感器无纺布”（图1）。这是世界上第一个将荧光传感器蛋白固定在水不溶性非织造纤维内并使其现场发挥作用的例子。

图 1 乳酸传感器荧光蛋白eLACCO11（右上）内部固定有纳米纤维的电场无纺布的外观
　　　　　　　　　　　　　纳米纤维表面为尼龙6（中下排电子显微镜图像））

　通过将其固定在具有取决于分子量的分子渗透性的纳米纤维内，待观察的乳酸分子有效地渗透到纤维内部并通过荧光检测，同时观察到的反应有效地防止了会损害传感器荧光蛋白的蛋白酶的进入。该特性有望成为一种新的基本技术，可以轻松地从含有各种杂质的生物样品（尿液、汗液、血液等）中定量评估乳酸浓度的变化，乳酸作为身体状况和疾病的生物标志物而备受关注。近年来，出现了可以附着在手腕、手臂或身体表面的可穿戴类型，以及可以安装在体内使用的设备植入物实验室型医疗传感器设备的开发正在取得进展，作为能够利用具有高辨别能力的传感器蛋白的新设备平台，其具有巨大的未来潜力。

　这个结果是2023年份10月10英国皇家化学学会杂志''' 已宣布。

研究背景

　人们越来越需要新的诊断技术，能够根据生物样本（尿液、汗液、血液等）中包含的各种代谢物和离子（包括乳酸）的浓度变化，对身体状况和疾病进行非侵入性诊断。通常，各种离子和生物分子共存于生物样品中，为了有效地定量评估其中的特定分子，合理的是使用利用“蛋白质的高分子辨别能力”的基于蛋白质的传感器分子。然而，由于蛋白质的耐久性差且易受外部环境变化的影响，利用具有先进分子识别能力的蛋白质传感器分子的传感器材料的开发尚未取得太大进展。

研究内容/结果

　无纺布是一种通过纤维一体化而制成的布状材料，但通过使用静电纺丝方法，可以制造出具有纳米级均匀纤维直径的纳米纤维聚集体（电场无纺布）。水野副教授的研究小组专注于这种电场无纺布所使用的高分子材料，迄今为止已成功开发并报道了一种特殊的高分子材料，可以将蛋白质固定在无纺纳米纤维内部，而不会使蛋白质变性和失活。此外，这里使用的聚合物材料具有取决于分子量的分子渗透性，因此当酶被固定化时，它们可以在保持固定在纤维内部的同时对浸渍溶液中所含的底物分子表现出高酶活性。在这项研究中，我们研究了如何使用这些纳米纤维的内部作为荧光传感器蛋白的工作场所。
　Poly(2)被称为低生物毒性的高分子生物材料，是一种可用于制造电场非织造布的新型高分子材料。-羟丙基甲基丙烯酰胺)类高分子材料聚（HPMA/DAMA)，一种荧光传感器蛋白，通过结合乳酸大大增加荧光强度eLACCO11并进行静电纺丝，我们创造了一种乳酸传感器无纺布。另外，为了赋予无纺布材料强度，纳米纤维表面尼龙6（图1）。
所制备的乳酸传感器无纺布随着乳酸浓度的增加（图2中的蓝色箭头）和减少（图2中的黑色箭头）而表现出可逆的荧光强度变化，并且强度变化表现出高再现性（图2上行）。此外，即使在蛋白酶处理后，这种响应性也完全没有受到影响（图 2，下排），这是由于非织造纤维的分子渗透性效应所致，该效应取决于分子量。eLACCO11防止蛋白酶降解，同时保持其对乳酸的特定传感器功能。这一特性使其作为一种基本技术极具吸引力，可以轻松地从含有各种杂质（尿液、汗液、血液等）的生物样品中定量评估乳酸浓度，乳酸作为身体状况和疾病的生物标志物而备受关注。

图2 乳酸传感器无纺布对乳酸的响应行为
（顶行）向乳酸传感器无纺布添加乳酸后（蓝色箭头）和通过洗涤去除后（黑色箭头）荧光强度的变化（可逆，根据乳酸浓度保持荧光响应特性）
（下排）在用蛋白酶（胰蛋白酶）处理的乳酸传感器无纺布中添加乳酸（蓝色箭头）并通过洗涤除去（黑色箭头）后荧光强度的变化（可逆，并且即使在蛋白酶处理后也完全保持根据乳酸浓度的荧光响应特性）

社会意义/未来前景

目前，针对各种生物分子的传感器荧光蛋白的开发正在全球范围内取得进展，而本次研究的特殊聚合物材料制成的电场无纺布有望有效发挥作用，使各种传感器荧光蛋白可以直接应用于含有各种杂质的生物样本（尿液、汗液、血液等）。换句话说，通过固定材料的分子设计来补偿由于是蛋白质而导致的耐久性差和对外部环境变化的脆弱性，这将导致利用具有先进分子识别能力的蛋白质传感器的更实用的传感器材料的开发取得进展。例如，可以附着在手腕、手臂或身体表面的可穿戴类型，以及可以安装在体内使用的类型植入物它也有望用于实验室型医疗传感器设备。

　这项研究成果得到了小笠原俊明纪念基金会的研究资助。

术语表

(注1)乳酸荧光蛋白eLACCO11
那须助理教授坎贝尔由教授开发。通过在适当的位置组合绿色荧光蛋白和乳酸结合蛋白的氨基酸序列，并通过随机突变进一步进行分子进化，我们成功开发了一种传感器荧光蛋白，它可以响应乳酸浓度的变化而改变荧光强度10倍以上。

(注2)分子渗透性取决于分子量的电场无纺布
由水野副教授等人开发。静电纺丝是在蛋白质存在的情况下通过生物正交反应交联专门设计的水溶性聚合物进行的（SCES这种方法是由水野副教授及其同事设计的），用于纺丝纳米纤维，将蛋白质物理限制在交联聚合物网络内，并创建一种水不溶性电场无纺布，该无纺布成为这些纳米纤维的聚集体一锅制作此外，通过用交联聚合物制造纳米纤维，可以赋予取决于分子量的分子渗透性，这意味着虽然小分子可以有效渗透，但蛋白酶等大分子却无法渗透到内部。

论文信息

论文标题：通过将乳酸传感器荧光蛋白限制在聚（HPMA/DAMA）/ADH-尼龙6核壳纤维结构的纳米纤维内构建乳酸传感纤维结构
作者姓名：Yuna Kato、Shuichi Iwata、Yusuke Nasu、Akiko Obata、Kenji Nagata、Robert E Campbell、Toshihisa Mizuno*
出版杂志名称：RSC Advances
发布日期：2023 年 10 月 10 日
DOI：101039/d3ra06108f
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联系信息

研究相关

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