【JACS】只需一个血糖仪,即可定量监测新冠病毒抗体

2022
06/18

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Lily / 转化医学网
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此研究研发的新型融合蛋白具有低技术及低成本的优势,使得基于血糖仪的诊断方式能够被推广至更广泛的人群,尤其是那些无法享受先进医疗测试的群体。

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导读:

血糖仪还有一种新功能——定量监测新冠病毒抗体。也许在不久的将来,我们可以不用去医院,而是在家中用一只血糖仪完成新冠病毒抗体的定量监测。这是如何实现的呢?近日,科学家们研制出一种新型融合蛋白,并成功将其与人免疫球蛋白G相结合,通过测定葡萄糖生成量来定量读取人体内新冠病毒抗体水平。

对于缓解当前全球新冠大流行及预防未来传染病大规模传播来说,快速诊断扮演了至关重要的角色。如何通过快速、准确、成本低廉的诊断方式使更多人群——尤其是弱势群体——享受安全、普世的医疗服务,已成为全球性课题。其中,开发简单、经济高效且可被广泛应用的检测设备也是当务之急。以新冠病毒抗原检测为例,目前通行的标准检测方法是酶联免疫吸附测定(the enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)。商用ELISA仪器包括便携式仪器(例如,由三星,Alere等公司制造)和高通量、多路复用临床分析仪(例如,由Luminex制造)。然而,ELISA要求昂贵的高质量光学设备来实现抗体测量的准确性,这阻碍了ELISA在某些普通医院及实验室的应用;即使对于已投入医疗护理点(the point of care)使用的ELISA,绝大部分也仅限于定性测量。基于上述ELISA存在的应用缺陷,研发一种简单、经济高效的定量检测方案迫在眉睫。

近日,来自美国翰斯·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的研究人员在《美国化学学会杂志》(Journal of the American Chemical Society, JACS)杂志发表了题为“Antibody–Invertase Fusion Protein Enables Quantitative Detection of SARS-CoV-2 Antibodies Using Widely Available Glucometers”的论文,向人们展示了利用血糖仪来定量检测新冠病毒抗体(SARS-CoV-2 Antibodies)的可能。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02537

研究简述

 01 

最近,转化酶介导的蔗糖转化已被应用于分子诊断;然而,让转化酶和检测分子(例如检测抗体,detection antibody)发生偶联绝非易事。此前,有研究通过将检测抗体和转化酶偶联到同一纳米颗粒上以避免两者直接附着;也有研究使用链霉亲和素作为生物素化抗体和生物素化转化酶的中间体,使两者形成复合物。然而,这些方式产生的偶联效率均非常低。

在此研究中,研究者设计了一种基因融合蛋白(genetic fusion protein)——由两个转化酶分子和一种抗人免疫球蛋白G抗体(anti-hIgG)通过基因融合组成。此新型融合蛋白克服了转化酶与检测分子的低效化学偶联问题,并保留了组成蛋白(constituent proteins)的结合亲和性及催化活性,可以作为免疫测定的准确报告基因。

研究关键点一:“抗人免疫球蛋白G抗体(anti-hIgG)-转化酶融合蛋白”的设计和纯化

研究制造了四种“抗人免疫球蛋白G抗体(anti-hIgG)-转化酶融合蛋白”(后文简称Ab+Inv)——在该四类融合蛋白中,检测抗体(anti-hIgG)连接到两个转化酶分子的肽连接子的位置及长度不同。此四类融合蛋白均基于anti-hIgG HP6017(此抗体结合所有人IgG同种型的Fc结构域),且均是通过人胚胎肾(HEK)293F细胞的瞬时转染产生。

研究关键点二:验证新型融合蛋白( Ab+Inv) 与人类免疫球蛋白G(human IgG)的结合

为了证明此新型融合蛋白(Ab + Inv)保留了与靶抗原(即人类免疫球蛋白G)的结合,研究对其进行了生物层干涉测定。测定发现,对比与未融合的抗体(human IgG),该四类融合蛋白均显示出相类似的human IgG结合特性。其中,有两类结合蛋白显示出略高的亲和性。

研究关键点三:验证新型融合蛋白( Ab+Inv)催化活性

为了确定融合蛋白是否保留了组分转化酶(component invertase enzyme)的催化活性,研究使用了商用血糖仪进行了葡萄糖转化测定——用特定浓度的蔗糖对融合蛋白进行培养,以测定培养后葡萄糖生成水平。测定显示,四种融合蛋白的酶活性与未融合转化酶几乎相同,其酶活性不受其与人类免疫球蛋白G结合的影响。

研究关键点四:SARS-CoV-2抗体检测试剂盒的开发和应用

为了证明融合蛋白的诊断潜力,研究人员选取了基于条带的检测方式(strip-based assay),因为此方式适用于病床旁使用(point-of-care use),符合经济高效的检测目标。研究从机构生物储存库访问了确诊的阴性和阳性患者血液样本,并获得了两组盲法训练样本集(blinded training sample sets):TS1包含六个确诊阴性患者和六个确诊阳性患者。TS2由90个纵向样本(随时间采集)组成,这些样本来自7名住院SARS-CoV-2 RT-PCR确诊患者。研究团队不知道这两种TS的抗体滴度,直到研究者对商用ELISA测量进行了交叉检查。

此条带检测方式的试纸条带有SARS-CoV-2刺突蛋白,试纸条当浸入COVID-19患者样本中时,患者的SARS-CoV-2抗体与刺突蛋白结合。进而进行洗涤步骤——将试纸暴露于融合蛋白溶液中30分钟,以便融合蛋白与条带上捕获的抗体结合,然后进行洗涤。随后,将条带浸入100mM蔗糖溶液中60分钟,以使转化酶催化转化为葡萄糖。最后,去除条带并使用商用血糖仪测定所得葡萄糖浓度。

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示意图:使用市售血糖仪对COVID-19特异性抗体进行定量测定

未来的应用

 02 

此研究研发的新型融合蛋白具有低技术及低成本的优势,使得基于血糖仪的诊断方式能够被推广至更广泛的人群,尤其是那些无法享受先进医疗测试的群体。它还将增强连续测试的能力,结合被测试人员的数量和多样性,以提供所需的高质量数据,并有助于清晰详细地了解疫苗接种和自然感染所产生的免疫保护寿命。此外,此技术或将可被应用于癌症、自身免疫性疾病的预防及检测——即用癌症诊断抗原或自身免疫性疾病的自身抗原代替SARS-CoV-2 RBD,从而对相关抗体进行定量检测,有利于免疫力测试、疾病控制及进展的纵向监测。

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关键词:
免疫球蛋白,ELISA,血糖仪,葡萄糖,抗体,融合,检测,偶联,转化,定量

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