多巴胺介导的信号放大技术与CCK-8检测相结合,用于实现高灵敏度的比色免疫测定

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》:Dopamine-mediated signal amplification integrated with CCK-8 detection for highly sensitive colorimetric immunoassay

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年05月08日 来源:Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 4.3

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  罗楠 | 王一鸣 | 周淼媛 | 张建瑞 | 李捷宇 | 王燕 | 张江岩 | 程永强河北医科大学药用化学与分子诊断重点实验室(教育部资助),河北省分析科学技术重点实验室,河北医科大学化学与材料科学学院,保定071002,中华人民共和国河北摘要能够以简单的比色读数方式敏感地检测蛋

  
罗楠 | 王一鸣 | 周淼媛 | 张建瑞 | 李捷宇 | 王燕 | 张江岩 | 程永强
河北医科大学药用化学与分子诊断重点实验室(教育部资助),河北省分析科学技术重点实验室,河北医科大学化学与材料科学学院,保定071002,中华人民共和国河北

摘要

能够以简单的比色读数方式敏感地检测蛋白质对于疾病的早期诊断和治疗效果的监测具有重要意义。本文报告了一种新型比色免疫测定方法,该方法将多巴胺介导的信号放大与Cell Counting Kit-8(CCK-8)检测技术相结合。通过构建夹心免疫测定系统,连接到检测抗体的辣根过氧化物酶能够快速催化多巴胺在免疫复合物上的沉积和原位自聚合,形成多巴胺聚合物(PDA)。所得PDA可作为乳酸脱氢酶(LDH)高密度结合的通用支架。加入L-乳酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+后,结合的LDH可有效催化L-乳酸转化为丙酮酸,并同时将NAD+还原为NADH,进而驱动CCK-8系统的比色反应,在450 nm处产生强烈的吸收信号。这一过程通过将免疫识别事件转化为CCK-8比色读数并整合多步级联信号放大,大大提高了免疫测定的灵敏度。该方法对于模型分析物(癌胚抗原和甲胎蛋白)表现出广大的动态范围,检测限分别低至5.4 pg/mL和4.1 pg/mL。此外,独特的颜色梯度使得肉眼可以进行可靠的半定量评估。这种比色免疫测定方法为疾病的临床诊断和预后提供了一种通用、简便且有效的方法。

引言

随着对准确诊断、治疗和公共卫生监测需求的增加,开发简单、成本效益高且灵敏度高的免疫测定方法在生物化学和临床分析中变得至关重要。[1],[2] 作为最常见的生物标志物之一,异常的蛋白质表达水平常常与疾病的发病和进展密切相关。因此,检测蛋白质生物标志物(尤其是低丰度蛋白质)对于疾病的早期诊断和治疗至关重要。[3],[4] 尽管迄今为止已经报道了许多蛋白质检测方法,但每种方法都有其独特的优势和局限性。[5],[6] 传统的酶联免疫吸附测定(ELISA)仍然是最经典的蛋白质检测方法。然而,其灵敏度通常仅达到ng/mL级别,无法满足超低丰度生物标志物的分析需求。[7]
为了提高微量蛋白质的检测灵敏度,出现了多种结合信号放大和新高灵敏度检测技术的策略,包括数字ELISA[8],[9]、核酸扩增辅助检测[10],[11],[12]以及酶催化放大[13],[14],[15]。其中,数字ELISA技术[8],[9]通过在微反应室中分离单个目标分子并通过计数进行定量,从而实现单分子检测,达到超高灵敏度。然而,数字ELISA需要高成本的仪器和试剂、复杂的操作程序以及严格的技术要求,这限制了其常规和广泛应用。核酸扩增辅助检测通过将免疫识别与核酸扩增技术相结合,实现了微量蛋白质的高灵敏度检测[10],[11],[12]。尽管该技术具有显著的灵敏度优势,但其复杂的操作程序、昂贵的设备和探针以及对终点污染的敏感性限制了其在常规实验室和大规模应用中的采用。酶和纳米酶可以通过催化信号分子的富集或组装在免疫测定中实现信号放大[6],[15]。这些方法在保持现有ELISA工作流程的同时显著提高了灵敏度,具有出色的兼容性和广阔的应用前景。然而,纳米材料的制备和表面修饰涉及复杂的过程,并且由于批次变化性、不稳定性和生物安全问题仍存在挑战。通常,酪胺信号放大(TSA)依赖于辣根过氧化物酶(HRP)在过氧化氢的作用下催化标记的酪胺分子(如荧光基团或生物素)在目标抗原或抗体附近的沉积,从而实现显著的信号放大[16],[17],[18],[19]。然而,TSA方法容易受到信号扩散和非特异性沉积反应的影响,导致背景信号增加、灵敏度降低以及相对较高的成本[16],[17],[18],[19]
最近,多巴胺(DA)介导的信号放大(DASA)因能够通过DA氧化产生的醌中间体与目标蛋白质之间的共价结合实现高灵敏度蛋白质检测而受到广泛关注[20],[21]。通过DA自聚合形成的多巴胺聚合物(PDA)表现出强的粘附性和光学特性[22],[23]。它选择性地与蛋白质中的胺基和巯基反应[24],从而结合并组装大量酶,从而提高免疫测定的灵敏度。与传统HRP底物相比,DA可使聚合速率提高300多倍[25]。因此,基于DA的放大免疫测定方法因其简单性、快速性和高效性而越来越受欢迎。
与此同时,随着生物技术的快速发展,简便、成本高效和高通量信号输出模式已成为免疫测定发展的关键方向。目前,研究重点是通过利用广泛可用、易于操作和低成本的商业仪器或试剂(如个人血糖仪和 pregnancy 测试条)来开发通用检测平台[26]。
Cell Counting Kit-8(CCK-8)试剂基于水溶性四唑盐WST-8的还原反应,广泛用于实时监测细胞活力[27]。在该试剂的作用下,细胞中的线粒体脱氢酶在电子介质1-甲氧基-5-甲基吩嗪二甲硫酸盐(1-Methoxy PMS)的作用下发生还原反应,生成水溶性的橙黄色甲酚兰产物[28],[29]。光密度值与存活细胞数量呈线性相关。由于其操作简便、成本低廉、易获得和高通量,CCK-8测定方法为比色免疫测定提供了实用的解决方案,并且在其在生物分析和分子诊断中的应用方面越来越受到关注。
本文报告了一种新型比色免疫测定方法,该方法将DA介导的信号放大与CCK-8读数检测相结合。通过构建夹心免疫测定系统,连接到检测抗体的HRP在H?O?存在下快速催化多巴胺的沉积和原位自聚合。所得PDA层随后与引入的乳酸脱氢酶(LDH)结合。加入L-乳酸和NAD+后,LDH催化L-乳酸转化为丙酮酸并还原NAD+为NADH,从而引起CCK-8的颜色变化。这种方法提供了一种简单、高灵敏度和高通量的比色免疫检测方法,适用于微量蛋白质的检测。

章节片段

材料与试剂

癌胚抗原(CEA)、甲胎蛋白(AFP)、CEA和AFP的单克隆抗体以及CEA和AFP的辣根过氧化物酶标记单克隆抗体均购自上海Linc-Bio Science有限公司(中国上海)。乳酸脱氢酶(LDH)和NAD+购自东方酵母工业有限公司(日本)。免疫球蛋白(IgG)来自Solarbio Technology有限公司(中国北京)。L-乳酸(LA)、尿酸(UA)、卵白蛋白(OVA)和人血清白蛋白

图1展示了结合DA介导的信号放大与CCK-8检测的高灵敏度比色免疫测定的原理。首先,通过利用固定在微孔板上的捕获抗体(Ab1)与目标抗原(Ag)存在下的HRP标记检测抗体(HRP-Ab2)之间的特异性相互作用构建夹心免疫测定系统。当向免疫测定系统中加入多巴胺时,HRP催化H?O?的氧化反应

结论

总之,我们开发了一种结合DA介导的信号放大与CCK-8检测的新型比色免疫测定方法。该方法利用HRP催化的多巴胺快速沉积和自聚合形成PDA,PDA可结合大量LDH分子。随后,LDH催化NAD+与NADH之间的转化,促进CCK-8中的WST-8还原生成橙色甲酚兰,从而提高比色免疫测定的灵敏度。与其他方法相比

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究得到了河北省中央科技发展基金(236Z3001G)、河北省自然科学基金(B2024201026)、河北省自然科学基金(B2025201113)以及河北省创新能力提升计划项目(22567620H)的支持。

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