速度与精度并存！未来疾病诊断的利器

Protein生物技术

随着科技不断进步，疾病诊断技术也在不断发展。目前较为流行的疾病诊断方法主要包括传统的临床诊断、影像学检查、生物标志物检测和基因检测等。这些方法广泛应用于疾病的早期筛查、诊断和治疗监测中，但是存在各自的优缺点。

近年来，无细胞蛋白合成(CFPS)技术成为疾病诊断领域的新热点。这种技术利用化学合成、高通量筛选和人工智能等多种手段，以无需生物组织或基因的方式合成特定蛋白质，从而更好的了解该蛋白在疾病发展过程中的作用及其在诊断中的应用前景。

图1：生产不同蛋白质的CF方法优化示意图

1.生物传感器

我们知道Gln是一种重要的氨基酸，在新陈代谢、肠道健康、免疫功能和细胞信号传导等方面发挥着关键的生理功能。Gln浓度的改变与多种疾病和疾病有关，包括严重感染、厌食症、慢性肾脏疾病、糖尿病和癌症。然而，目前测量血清Gln水平的方法存在一些挑战，如高性能液相色谱法和磁共振波谱法需要复杂的准备和昂贵的设备，商业酶法成本较高且容易受到氨的干扰。因此，研究人员开发了一种新的利用无细胞蛋白合成(CFPS)技术的Gln传感器。通过工程改造E. coli细胞提取物，使用一种不可逆的Gln合成酶抑制剂，成功地创造了一种对Gln高度敏感的CFPS反应。

此外，研究人员还验证了该传感器在人血清中的实用性。这种基于CFPS的血清Gln定量方法可以在严重感染、厌食症、慢性肾脏疾病、糖尿病和癌症等疾病的诊断和治疗中发挥重要作用。此外，研究人员还发现通过使用小分子抑制剂和氨基酸组成来改造CFPS代谢可以优化CFPS的性能，并且该技术还可以用于药物发现和其他临床生物标志物的经济实用传感器的开发。

2.生物标志物

血液、血浆、血清、唾液和尿液等体液含有无数生物标志物，这些生物标志物能够进行医学诊断，简化和加强药物的发现和批准，促进治疗进展的监测，并增加对各种疾病和病症的基本了解。不幸的是，生物标志物的检测通常需要(1)昂贵的集中设备，(2)大的样本量，(3)冗长的分析;这会增加医疗成本并限制效用。经济、快速和护理点的生物传感器可以帮助改变医疗保健。

无细胞蛋白质合成(CFPS)是一种快速、高产、灵活的平台，用于生产包括药物和生物传感器在内的各种产品。此外，冻干生物传感器可以方便、经济地检测体液中的各种靶标，包括埃博拉病毒、寨卡病毒、诺如病毒、microRNA、天然和合成激素以及氨基酸。CFPS系统可以在无需活细胞的条件下合成蛋白质，具有快速、灵活和可定制的优势。然而，复杂蛋白质的折叠需求限制了CFPS系统的应用。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于大肠杆菌裂解液的CFPS系统，并通过优化表达条件成功地表达出高溶解度和活性的小鼠核酸酶抑制剂(m-RI)。m-RI是一种重要的蛋白质抑制剂，可以用于抑制人体液中的核酸酶活性，从而实现快速、经济的生物标志物检测。研究人员还开发了一种冻干的谷氨酰胺生物传感器作为应用示例，用于基于唾液的即时生物传感器。这项研究展示了CFPS系统在解决复杂蛋白质折叠需求方面的实用性，并提供了一种可分发、经济高效的平台，用于快速、点对点的生物标志物检测。

3.抗体诊断

正电子发射断层扫描(PET)是临床和生物医学研究中的一种关键分子成像方式。PET的无创定量成像提供了关于生物分子功能的宝贵信息，如酶、受体和转运蛋白。它们的底物或配体，用正电子发射器标记，通常用作PET的成像探针。2-[18F]-fluoro-2-deoxy-D-glucose ([18F]FDG) 是葡萄糖代谢的底物，是临床诊断肿瘤和通过全身扫描寻找转移的最广泛使用的PET示踪剂。[11C] Methionine也是一种有用的PET示踪剂，在临床诊断和研究中广泛用于脑和外周肿瘤的成像。除了使用小化合物的这些常规成像技术之外，利用抗体的高特异性，immuno-PET是改善癌症诊断的一种很有前途的方法。

作为一种成像靶点，表皮生长因子受体变体III(EGFRvIII)在相当大比例的恶性胶质瘤和其他人类癌症中过表达，因此被认为是免疫疗法和immuno-PET的潜在靶点。在此，我们提出了一种新的CFPS方法，用于制备正电子发射体标记的抗体。通过直接掺入临床PET示踪剂L-[11C] Methionine ([11C]Met)，功能性抗人EGFRvIII单链Fv MR1-1在5分钟内用C-11(半衰期=20.4分钟)成功标记(产率36%)。通过亲和纯化，产物[11C]MR1-1以高放射化学纯度(>95%)容易而快速地从反应溶液中分离出来。该方法将广泛适用于制备用于PET成像的放射性标记抗体。

4.难表达蛋白

在用于生物医学诊断、治疗和生物技术之前，必须对各种肽和蛋白质进行初步纯化和彻底表征。重组DNA技术和异源蛋白表达有助于简化高纯度靶向多肽的分离及其结构-功能检查。重组蛋白在大肠杆菌中的表达，作为最成熟的异源宿主生物，已被广泛用于生产具有商业和基础研究兴趣的蛋白质。尽管如此，许多肽/蛋白质仍然难以表达，因为它们能够减缓细胞生长或破坏细胞代谢。

此外，通常需要特殊的修饰来实现靶蛋白的正确折叠和活性。无细胞(CF)或体外重组蛋白合成系统因为可以调节反应介质并且不需要支持细胞代谢和活力，因此能够生产这种难以获得的分子。基于大肠杆菌的CF系统，是一种可获得难表达蛋白的高效且成本效益高蛋白质合成方法。研究结果表明，无细胞蛋白质合成系统能够有效地生产难以获得的蛋白质，并且具有高度灵活性和可靠性。

图2：不同类型CF系统准备的模式。

无细胞蛋白表达技术作为一项创新的生物医学技术，已经在疾病诊断领域展现出了巨大的应用潜力。通过无细胞蛋白表达技术，我们可以更加准确、高效地诊断疾病，加速药物研发过程，并深入探索蛋白结构与功能等重要问题。此外，无细胞蛋白合成技术也可以用于制备疫苗、制药和基因治疗等领域，为疾病的治疗和预防提供新的手段。未来，无细胞蛋白表达技术有望推动疾病诊断技术水平的快发展，为人类健康事业做出更大贡献。

珀罗汀生物凭借自身优势提供的无细胞蛋白表达产品解决方案，帮助生物医药企业和研究机构搭建无细胞蛋白表达平台，助力诊断技术水平发展!

参考文献:

Hunt JP, Barnett RJ, Robinson H, Soltani M, Nelson JAD, Bundy BC. Rapid sensing of clinically relevant glutamine concentrations in human serum with metabolically engineered E. coli-based cell-free protein synthesis.J Biotechnol. 2021;325:389-394. doi:10.1016/j.jbiotec.2020.09.011.

Smolskaya, Sviatlana et al. “Escherichia coliExtract-Based Cell-Free Expression System as an Alternative for Difficult-to-Obtain Protein Biosynthesis.” International journal of molecular sciences vol. 21,3 928. 31 Jan. 2020, doi:10.3390/ijms21030928.

Matsuda, Takayoshi et al. “Rapid biochemical synthesis of (11)C-labeled single chain variable fragment antibody for immuno-PET by cell-free protein synthesis.”Bioorganic & medicinal chemistry vol. 20,22 (2012): 6579-82. doi:10.1016/j.bmc.2012.09.038

Soltani, Mehran et al. “Rapid RNase inhibitor production to enable low-cost, on-demand cell-free protein synthesis biosensor use in human body fluids.”Biotechnology and bioengineering vol. 118,10 (2021): 3973-3983. doi:10.1002/bit.27874.

Senf, Brian et al. “Recent Advances in Portable Biosensors for Biomarker Detection in Body Fluids.”Biosensors vol. 10,9 127. 18 Sep. 2020, doi:10.3390/bios10090127.

Gregorio, Nicole E et al. “Unlocking Applications of Cell-Free Biotechnology through Enhanced Shelf Life and Productivity ofE. coli Extracts.” ACS synthetic biology vol. 9,4 (2020): 766-778. doi:10.1021/acssynbio.9b00433.

Senf, Brian et al. “Recent Advances in Portable Biosensors for Biomarker Detection in Body Fluids.”Biosensors vol. 10,9 127. 18 Sep. 2020, doi:10.3390/bios10090127.