基于双酶电化学生物传感器的抗癌药物定量分析及抑制机制研究

推荐：本研究针对癌症治疗中蛋白激酶(PyK)抑制剂的检测难题，开发了基于PyK/丙酮酸氧化酶(PyOx)的双酶生物传感器，实现了CPG77675等四种抗癌药物在pM级的精准检测，首次报道了CPG77675和Cerdulatinib的检测方法，并阐明了其非竞争性抑制机制，为药物开发和疗效优化提供了新工具。

　　

癌症治疗领域长期面临的关键挑战是如何精准监测靶向药物的作用机制。蛋白激酶(PyK)的过度表达与多种恶性肿瘤密切相关，尤其是丙酮酸激酶肌肉同工酶M2(PKM2)已成为癌症诊断和治疗的重要靶点。尽管激酶抑制剂如伊马替尼(Imatinib)在临床取得显著成效，但现有检测方法存在灵敏度低、操作复杂等问题，特别是对新型抑制剂CPG77675和Cerdulatinib缺乏有效检测手段。

为解决这一难题，研究人员开发了一种创新的双酶电化学生物传感器。该系统巧妙地将PyK与PyOx偶联，通过监测H₂
O₂
的还原电流实现激酶活性的实时检测。研究采用固定电位安培法(CA)在-0.2 V工作电位下，建立了包含四个关键酶促反应的级联检测体系：PyK催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和ADP生成ATP；烯醇式丙酮酸自发转化为丙酮酸；PyOx氧化丙酮酸产生H₂
O₂
；最后H₂
O₂
在电极表面被电化学还原。

关键技术方法包括：1) 在Au/Ti/SiO₂
/Si电极上构建PyK:PyOx=10:1的双酶生物传感器；2) 采用时间依赖性和剂量依赖性两种抑制研究方案；3) 通过Dixon和Cornish-Bowden图分析抑制机制；4) 紫外吸收法验证电化学检测结果。

研究结果：

1. 抑制机制分析
   通过剂量反应曲线确定所有抑制剂均呈现典型的非竞争性抑制(α≈1)，对PyK-PEP复合物具有更高亲和力。Hill系数(0.42-0.45)表明存在负协同结合效应。CPG77675表现出最强抑制效力(IC₅₀
   =1.7×10^-10
   M)，抑制效率排序为：CPG77675 > Ruxolitinib > Nilotinib > Cerdulatinib。

2. 电化学检测性能
   生物传感器对四种药物的检测限达pM级：CPG77675(38.5 pM)、Ruxolitinib(33.6 pM)、Cerdulatinib(62.1 pM)和Nilotinib(517 pM)。其中CPG77675检测灵敏度最高(440 μA nM^-1
   cm^-2
   )，线性范围0.01-0.3 nM。

3. 与传统方法对比
   相比已报道的色谱和光谱技术，该传感器灵敏度提高3-6个数量级。特别是对CPG77675和Cerdulatinib实现了首次电化学检测，填补了方法学空白。

这项研究的意义在于：

1. 建立了首个可同时实现抗癌药物定量和机制分析的双功能检测平台；
2. 揭示非竞争性抑制剂在药理上的优势——避免与细胞内高浓度ATP竞争，提高体内效力；
3. 为开发新一代靶向PKM2的联合疗法提供工具；
4. 通过与人工智能结合，有望推动个性化用药和实时治疗监测的发展。

该成果发表在《Methods》杂志，为癌症精准医疗提供了重要的方法学突破，特别是通过创新性地将酶抑制研究与电化学检测相结合，为抗肿瘤药物的开发和优化开辟了新途径。未来，这种"检测-机制"一体化研究模式有望成为抗癌药物研究的标准范式。