【分析】滑铁卢大学刘珏文团队Angew：筛选L-乳酸根的核酸适配体及其在生物检测中的应用

乳酸是一种代谢产物，它在体内通过糖代谢而产生，并对肌肉运动产生重要的负调节作用。临床测定的乳酸根浓度正常值为1-2 mM，当激烈运动导致体内供氧不足时，葡萄糖通过无氧酵解生成乳酸，乳酸根最高能高达20 mM。一些具有缺氧症状的疾病也会导致乳酸根浓度升高，例如心肌缺血、肝功能受损、肌肉损伤、糖代谢异常和肠道疾病等。因此，乳酸根的检测被广泛研究。乳酸是一个手性分子，人体内主要是L-乳酸。目前，乳酸根的检测主要通过乳酸氧化酶或乳酸脱氢酶实现，将酶固定在电极表面间接检测双氧水等反应产物。然而，葡萄糖氧化酶等也会产生双氧水，使得多重检测变的困难。另外，酶的活性受检测环境的影响，而且需要氧气等参与反应，因此乳酸的检测仍有提升空间。

核酸适配体（Aptamer）是由多种核苷酸组成的单链RNA或DNA分子。通过其三维结构与目标分子（如小分子、蛋白质等）特异性结合。作为诊断和治疗疾病的工具，适配体具有许多优点，如易于合成和生产、体积小、稳定、易于修饰等。乳酸根是一个非常简单的分钟，仅含三个碳原子，且只能通过羧基和羟基与DNA相互作用，因此获得高质量适配体难度可能较大。 加拿大滑铁卢大学刘珏文 教授课题组 通过Capture-SELEX的方法，将DNA文库固定，用游离的L-乳酸根为靶标进行筛选，最终获得多个适配体。 其中数目最多的是Lac201（图1左）。通过等温热滴定实验测定的解离常数（ K _d ）为0.43 mM（图1右），和生理条件下乳酸浓度相近。

图1.（左）Lac201适配体的二级结构；（右）等温热滴定数据。

作者将Lac201适配体标记了一个荧光基团，并且将一个短互补链标记一个荧光淬灭基团进行传感（图2A）。通过链取代反应发现Lac201可特异性地结合L-乳酸根。在加入乳酸后，荧光反应非常迅速，在一分钟左右能达到饱和（图2B）。Lac201对L-乳酸根的选择性大约是D-乳酸根的7倍（图2C）。对于一些其他的类似物，例如丙酮酸、3-羟基丁酸、醋酸、葡萄糖、各种氨基酸等，该传感器的响应更弱。在生理条件下，所测试的分子中只有L-乳酸能产生信号。

图2.（A）链取代反应示意图。（B）Lac201传感器在不同乳酸浓度下的荧光增强动力学曲线。（C）传感器对L-和D-乳酸的浓度响应曲线。

作者分别在乳酸根适配体和葡萄糖适配体末端修饰绿色荧光基团（FAM）和红色荧光基团（Cy5）构建双检测体系的适配体传感器（图3）。向体系中加入乳酸根后，只有绿色荧光增强，而加入葡萄糖后只有红色荧光增强。并且这两个传感器都表现出了即时响应的特点，表明此传感器具有同时检测多个目标物的能力。此外，作者发现血清并不影响乳酸根的检测。

图3. 双检测体系适配体传感器

该工作证明了核酸适配体在乳酸根等小分子检测方面的可行性，有望推广至其他类似小分子的检测。鉴于核酸适配体的高选择性、快速响应和强稳定性等特点，此类探针在体内连续监测多种分析物和可穿戴设备等方面展示出较好的应用前景。

本研究近期发表在 Angewandte Chemie International Edition 上。第一作者是博士后 Po-Jung Jimmy Huang 。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Simultaneous Detection of L-Lactate and D-Glucose Using DNA Aptamers in Human Blood Serum

Po-Jung Jimmy Huang, Juewen Liu

Angew. Chem. Int. Ed ., 2023 , DOI: 10.1002/anie.202212879

课题组介绍

刘珏文 ，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。获得加拿大化学会Fred Beamish奖，和McBryde奖章，并入选加拿大皇家学会（青年学院）。近年来发表期刊研究论文共计400余篇，引用数达37000余次。H-index为92。入选2022爱思唯尔年度高被引学者榜单。担任 Biosensors & Bioelectronics 杂志核酸部分副主编， TrAC-Trends in Analytical Chemistry ，《中国化学快报》，FACETS等杂志副主编， Journal of Analysis and Testing, Particle and Particle Systems Characterization, Smart Molecules 等杂志编委，和 Langmuir 编委会顾问。现主要从事核酸酶，纳米材料和软物质的分析化学，物理化学，以及表面性质的研究。

http://www.science.uwaterloo.ca/~liujw/index.html

https://www.x-mol.com/university/faculty/75566