纳米工程改造的钙受体与微尺度热泳技术相结合，实现了在复杂生物流体中对钙离子进行灵敏且低体积量的定量分析

《ACS Sensors》：Nanoengineered Calcium Receptors Coupled with Microscale Thermophoresis Enable Sensitive, Low-Volume Quantification of Calcium Ions in Complex Biological Fluids

钙离子检测技术，基于工程化受体Sens4Ca/Sens2Ca与微尺度热泳动（MST）联用，实现纳米摩尔灵敏度及微升级样本量检测，适用于尿液、血液、泪液等多种生物样本，解决传统方法灵敏度低、干扰多及样本需求大问题，为临床诊断和基础研究提供高灵敏工具。

　　钙离子（Ca2?）在生物系统中扮演着至关重要的角色，它不仅是细胞内信号传导的关键媒介，还参与多种生理过程，如骨骼矿化、血液凝固、肌肉收缩以及神经活动的调控。在健康状态下，Ca2?浓度的精确监测对于理解细胞生理机制至关重要，而在疾病状态下，这种监测更是诊断和治疗钙相关疾病的重要手段。然而，传统分析工具在检测Ca2?时面临诸多挑战，例如灵敏度有限、复杂基质中的干扰以及需要较大的样本体积等。因此，开发一种高灵敏度、高选择性和低样本需求的Ca2?检测方法成为研究的重点。

本文介绍了一种基于微尺度热泳（Microscale Thermophoresis, MST）技术的纳米工程钙受体Sens4Ca和Sens2Ca，能够实现对Ca2?的高精度检测。Sens4Ca和Sens2Ca是通过模块化融合蛋白构建的，将钙调蛋白（CaM）与钙结合肽结合，并引入刚性结构域，从而调控Ca2?的结合亲和力和结合量。这种设计使得它们能够在纳摩尔到微摩尔浓度范围内准确检测Ca2?。与传统的荧光检测方法不同，MST技术通过监测热泳迁移率的变化来检测分子间的相互作用，这不仅减少了基质干扰，还提高了检测的精度。

为了验证该方法的可行性，研究人员对Sens4Ca和Sens2Ca进行了系统的评估，包括其对Ca2?的结合能力、热稳定性以及在不同生物样本中的表现。实验结果显示，Sens4Ca和Sens2Ca在不同pH条件下均表现出良好的Ca2?结合能力，且对其他金属离子和蛋白质的干扰较小。在实际生物样本中，如尿液、血液和泪液，这些传感器能够准确检测Ca2?，并且在低样本体积条件下仍能保持较高的灵敏度和准确性。例如，在单个小鼠尿液样本中，Sens4Ca能够检测到Ca2?的浓度，而传统方法通常需要多个样本的混合才能获得可靠的结果。

此外，研究人员还评估了这些传感器在临床诊断中的应用潜力。他们使用Sens4Ca和Sens2Ca对来自人类和小鼠的生物样本进行了检测，并将其结果与临床金标准（如Cobas系统）进行了比较。结果表明，这些传感器能够提供与传统方法一致的Ca2?浓度数据，同时在样本体积上具有显著优势。这使得它们在需要最小侵入性的诊断场景中表现出极大的应用前景，如新生儿低钙血症的早期检测或非侵入性的眼部健康监测。

MST技术的一个显著优势是其无需额外试剂即可直接获得结果，这简化了实验流程并提高了检测效率。同时，Sens4Ca和Sens2Ca在不同温度条件下表现出良好的稳定性，尤其是Sens2Ca在60°C的高温下仍能保持其Ca2?结合能力。这一特性使得它们在复杂生物环境中更具实用性，例如在细胞裂解液中，它们能够准确检测Ca2?而不受散射效应的干扰。

从方法学的角度来看，Sens4Ca和Sens2Ca的构建涉及对钙调蛋白和钙结合肽的结构优化，以及对连接区域的精心设计。通过引入单个半胱氨酸残基（Cys78）用于荧光标记，确保了荧光信号的稳定性，并避免了因标记位置不当而引起的蛋白功能干扰。这些受体在不同pH条件下表现出不同的结合特性，这为在不同生理条件下进行Ca2?检测提供了灵活性。

在实际应用中，Sens4Ca和Sens2Ca的检测范围可以调节，通过改变受体浓度，可以实现从纳摩尔到微摩尔的Ca2?浓度检测。这种动态范围的调节能力使得它们能够适用于多种应用场景，包括基础生物学研究、临床诊断和环境监测。特别是在需要小样本量的场合，如小动物研究或点对点检测，这些传感器的性能尤为突出。

综上所述，本文介绍的基于MST技术的钙传感平台，通过纳米工程的受体设计，实现了对Ca2?的高灵敏度和高选择性检测。这一技术不仅克服了传统方法的局限性，还为未来的生物医学研究和临床应用提供了新的可能性。随着MST技术的不断进步和普及，这些传感器有望成为一种广泛应用的工具，用于监测钙离子在各种生物样本中的动态变化，从而为疾病的早期诊断和个性化治疗提供支持。