基于有机电解质门控场效应晶体管的帕金森病小鼠模型α-突触核蛋白纵向检测新策略

《npj Biosensing》：Organic electrolyte gated field effect transistor for detecting alpha synuclein longitudinally in Parkinsonism mouse model

本研究针对帕金森病早期诊断难题，开发了抗体功能化有机电解质门控场效应晶体管(Ab-OEGFET)生物传感器，成功实现了A53T转基因小鼠血清中α-突触核蛋白(a-Syn)不同形态(单体、磷酸化、寡聚体)的纵向检测。研究通过Western Blot和免疫组化验证了传感器检测结果与脑组织病理的高度相关性(r=-0.95, p<0.001)，为神经退行性疾病的早期血液生物标志物检测提供了突破性技术平台。

　　

在神经退行性疾病研究领域，帕金森病(Parkinson's Disease, PD)的早期诊断一直是个重大挑战。这种与年龄相关的疾病由α-突触核蛋白(alpha-synuclein, a-Syn)的错误折叠引发，但其病理过程可能在临床症状出现前数年就已开始。当患者被确诊时，黑质致密部(substantia nigra pars compacta, SNe)中多达80%的多巴胺能神经元已经丧失，这严重限制了治疗选择。目前大多数诊断方法依赖于脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)采集，这种侵入性操作限制了其临床应用。

面对这一挑战，加拿大卡尔顿大学的研究团队在《npj Biosensing》上发表了一项创新性研究，他们开发了一种抗体功能化的有机电解质门控场效应晶体管(Ab-OEGFET)生物传感器，能够通过血液样本实现对帕金森病关键生物标志物的早期检测。该研究利用A53T转基因小鼠模型，首次在长达8个月的时间内纵向追踪了血清中不同形态a-Syn蛋白的动态变化。

研究团队采用的核心技术方法包括：有机电解质门控场效应晶体管(OEGFET)生物传感器平台的构建，该平台集成了软微流控通道和抗体固定化技术；使用A53T转基因小鼠模型(来源于杰克逊实验室)建立帕金森病病理模型；通过Western Blot和免疫组化技术对脑组织样本进行蛋白质定量和病理分析；采用系列稀释法优化血清样本检测条件，确保生物分子结合效率。

Ab-OEGFET靶向血清中的总单体与寡聚体a-Syn

研究首先评估了固定有单体特异性抗体(anti-a Syn, clone 2F12)的Ab-OEGFET设备对目标生物标志物的特异性。设备在测试2月龄小鼠血清样本时，转基因(TG)组在-2.8V栅极偏压下显示出较窄的传感区域，而野生型(WT)组在相同浓度下达到信号强度拐点。电流随浓度增加而降低的现象反映了抗体-蛋白质生物分子复合物层的形成。

在5月龄血清样本的实验中，单体与寡聚体生物标志物均显示出更宽的传感区域。当单体寡聚化时，有效EDL的形成受到影响，这通过生物分子的聚集现象来解释。8月龄样本的实验显示两种蛋白质形态均出现明显偏移，早期稀释条件下较大的生物分子覆盖更多表面积，而较小尺寸的单体则形成均匀的EDL和高强度信号。

适配体-OEGFET靶向血清中的单体a-Syn

研究还评估了基于适配体的OEGFET设备在不同a-Syn形态检测中的性能。适配体-OEGFET在2月龄WT样本中显示出周期性电流下降，而TG样本的基质效应拐点向更高浓度偏移，提供了更宽的传感范围。然而，适配体-OEGFET在TG血清样本中未能预测可重复的基质效应趋势，表明在当前形式下不适合追踪临床相关浓度范围内的a-Syn生物标志物。

A53T转基因小鼠中a-Syn单体的年龄相关性增加

Western blot分析显示，基因型与年龄之间存在显著交互作用(F_(2,30)=8.71, p<0.05)，TG小鼠的a-Syn单体水平显著高于WT对照组(F_(1,30)=589.26, p<0.05)。年龄主效应也显著(F_(2,30)=12.84, p<0.05)，8月龄组的a-Syn单体水平高于2月和5月龄组。

转基因小鼠中pa-Syn表达增加

磷酸化α-突触核蛋白(pa-Syn)是病理性a-Syn聚集的标志物。TG小鼠的pa-Syn表达显著高于WT对照组(F_(1,30)=48.76, p_(2,30)=146.18, p<0.05)，8月龄组显示出比2月和5月龄组更多的pa-Syn染色。

Ab-OEGFET与Western Blot中pa-Syn的比较分析

通过比较血清稀释系列的传感器数据与Western Blot数据，研究选择抗pa-Syn抗体作为最佳抗体来关联传感器性能。WT血清的传感器数据显示信号强度无明确变化，且表现出高I_D-SAT值，表明所有WT样本中pa-Syn浓度可预测性较低。设备数据在所有年龄组的WT和TG样本间均显示显著电流下降，从2月龄开始，表明传感器可在早期阶段检测血清中低阈值水平的pa-Syn。

传感器响应与Western Blot定量之间的Pearson相关系数r=-0.95(p<0.001)，表明血清传感器数据与脑组织Blot数据之间存在强负相关。这一强相关性验证了传感器在血清中检测PD病理早期迹象的能力，这是即时检测生物传感器技术的首次展示。

该研究通过Western Blot实验验证了Ab-OEGFET设备作为可靠且敏感的平台，能够有效且可预测地响应血清中的pa-Syn浓度。WT血清样本中较高范围的I_D-SAT幅度和TG血清样本中随年龄的明显电流下降支持了设备的反向电流调制机制。传感器数据与脑组织分析之间的强相关性强调了设备追踪与PD相关的临床前神经病理学的能力。

研究表明，新型有机电解质门控晶体管与固定化抗体(Ab-OEGFET)作为有前景的生物传感器平台，可用于神经退行性疾病相关多种流体生物标志物的无创检测和监测。该传感器设备利用场效应晶体管(FET)的高灵敏度和软聚合物材料的生物相容性，在血清等复杂生物流体中检测目标蛋白质生物标志物。这项研究报道了迄今为止最大的临床前动物模型研究之一，部署了电解质门控晶体管生物传感器平台用于PD生物标志物检测。这也是首次使用Ab-OEGFET进行的主要疾病模型研究，其中制造和测试了大量传感器设备(>150个传感器)，调查了60多个血清样本。

该研究的成功实施标志着神经退行性疾病早期诊断技术的重要突破，为未来临床研究中的血液生物标志物监测提供了可靠的技术基础，有望推动帕金森病等神经退行性疾病的早期筛查和干预策略发展。