2019年8月8日

新型高灵敏度检测器有助于早期阿尔茨海默病的诊断

阿尔茨海默氏症和帕金森氏症发病的主要原因是一种正常良性的酶，它对神经系统的正常发育至关重要。然而，在某些条件下，它的化学结构会发生变化，它会失控，导致伴随痴呆症的神经破坏。

世界各地的研究人员都在密切研究这种被称为Cdk5的酶，以了解它的动态，并最终找到减轻或消除其损害的方法。现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家及其同事设计了一种新颖的、高灵敏度的系统，可以实时跟踪Cdk5的活动，灵敏度比以前高10倍以上。

美国国立卫生研究院(NIH)的联合研究员哈里什·潘特(Harish Pant)说:“这种技术的敏感性可以使一种新的测试成为可能，可以在首次症状出现前几年甚至几十年，就能早期发现阿尔茨海默病等神经系统疾病。”“重要的是，这种诊断测试可以是非侵入性的，使用血液或血小板进行。”

看标签

NIST研究员Arvind Balijepalli说:“研究这些分子的传统方法是用放射性或荧光示踪剂标记生物对象。”他与Son Le、Curt Richter和Pant一起开发了这个新系统。他们在杂志上在线报告了他们的发现纳米级．

“今天要进行测量，”Balijepalli说，“你把酶和它们的底物(它们的生化目标)放在试管中，与特殊标记的化学物质一起孵育一段时间，然后计算出放射物或闪光。整个过程可能需要半天的时间。它需要昂贵的、专门的分子处理和放射性物质预防措施。”

这种方法可以很好地全面显示在一段较长的时间内发生了多少总活动。

电压的足迹

“但我们的系统基于晶体管结构，不需要标签，每秒测量酶的作用数千次，”孙乐说，“所以我们可以观察到信号的变化。这给我们提供了酶在整个过程中的动力学信息，以及当这个过程达到稳定状态时的静态信息。”

该系统通过追踪Cdk5失控时的生化活性来工作。酶的jekyl -and- hyde行为的发生是因为环境因素，遗传和衰老导致它失去了一部分亚基，这部分亚基通常会抑制它的活性，使其有序地将磷和氧基团(“磷酸盐”)转移到预定的神经客户。

但当Cdk5的调控被打破时，它就会过度活跃，开始不加区别地将磷酸基转移到蛋白质上，导致一系列破坏性的细胞活性。在此过程中，它留下了一个明显的足迹:每当Cdk5摆脱一个磷酸基时，它也会释放一个或多个自由质子。当带正电的质子聚集时，它们会增加周围液体的酸度。释放的质子越多，Cdk5的作用就越强。

液体门

为了测量这种活动，研究人员设计了一个双门晶体管(详情见图)，其顶部门被一滴特殊的导电液体所覆盖，这种液体将顶部门与电荷(如与质子相关的电荷)耦合。该液体通过一根电线连接到一个单独的小试管，试管中含有未调控的Cdk5和选定的底物。

当携带正电荷的质子数量在试管中积累时，试管溶液和液体门之间的电势发生了变化。这个电压反过来又会影响从晶体管的源极到漏极的电流。

该装置设计为恒流运行，由反馈装置连续监测。当液体门的电压发生变化时——改变电流流量——反馈控制器将电压发送到晶体管底部的第二个固体门，以补偿并保持电流恒定。施加在底部栅极上的电压是系统的输出信号。

Curt Richter解释说:“这种安排就像一个放大器。“尽管顶部栅极电压的微小变化就能影响电流流动，但底部栅极有一层厚厚的二氧化硅，效率要低得多。因此，它需要大约100倍的电压施加到底部栅极来维持恒定的电流-给我们一个放大的信号，更容易测量。例如，如果我们的增益是100，那么顶部1毫伏(千分之一伏)的变化就需要底部100毫伏的变化。”

其他小组已经尝试了双门配置和反馈控制器。但新系统的一个独特之处在于其灵敏度显著提高，电子电路可以在毫秒内监测变化。

从试管里出来

Balijepalli说，这种极好的时间分辨率“为我们提供了关于这些复合物如何形成以及它们相互作用机制的详细信息。这对于理解疾病为什么会出现很重要。如果没有很短的测量间隔，我们可能不知道什么动态是重要的。”

这类信息对于那些想要开发药物来“重新调节”Cdk5，从而防止破坏性级联发生的研究人员来说至关重要。