以智能手機搭配紙張微流道快速檢測L-酪胺酸羥化酶缺乏症

112年06月10日

【本篇報導由化學系  葉怡均教授研究團隊提供】 　　L-酪胺酸羥化酶(L-tyrosine hydroxylase，以下簡稱TH)是在人體中非常重要的酵素，TH的缺乏屬於一種罕見的體染色體隱性的遺傳性疾病，在人體中TH扮演著將L-酪胺酸(L-tyrosine)轉換成L-多巴胺(L-3,4-dihydroxyphenylalanine，簡稱L-DOPA)的重要角色，然而L-多巴胺又是兒茶酚胺的前驅物，當TH缺乏時會導致腦兒茶酚胺缺乏症並且產生抑鬱症、運動障礙以及發育不完整等症狀，因此快速並精準的檢測L-多巴胺以及L-酪胺酸於生物基質的含量變成能夠診斷這類疾病很重要的關鍵。本研究研發出一個低成本並可以現場檢測的生物感測器，用以檢測L-多巴胺以及L-酪胺酸於生物基質的含量。透過蠟印紙的技術建構一個微流體於紙的平面上提供反應的平台並運用比色法的原理，以手機應用程式將影像中的顏色變化程度量化，呈現出不同的待測物的含量。此種生物感測器經由多次於複雜的生物基質(如人工尿素或胎牛血清)反覆實驗中得其偵測極限、偵測範圍、保質期以及專一性，進一步說明L-多巴胺、L-酪胺酸和兒茶酚胺皆能在此檢測器中達到快速簡單、高可靠信以及高重複性的結果，成為了一個非常有效率檢測TH缺乏症患者的生物檢測器。   　　L-酪胺酸羥化酶(TH)是一種酵素，在人體中會將L-酪胺酸轉化為L-3,4-二羥基苯丙胺酸(L-DOPA)。缺乏此酵素則可能導致腦兒茶酚胺缺乏症、憂鬱症、運動障礙及發育障礙。另外，L-DOPA是兒茶酚胺類神經傳導物質的常見前驅物，因此我們認為快速準確檢測L-DOPA與L-酪胺酸的比例對於臨床診斷疾病具有重要意義。 　　本研究中所使用的主要檢測技術為紙基材料，它是於2008年由Whiteside等人發表，用光刻或蠟印的技術在紙上雕刻實驗通道，以毛細作用讓試劑在紙上移動。至今為止，有許多文獻運用此技術進行生物分析及生化分析的研究，並已成功應用於許多化學分析或疾病檢測，而且它具有檢測快速、攜帶方便、一次性使用、成本低等優點。但在檢測L-DOPA方面，雖然有幾篇文獻表示，使用紙基材料可以快速量化L-DOPA和酪胺酸的濃度。然而，酪胺酸酶對酚類具有廣泛的受質特異性，無法應用於特定分析物的檢測。因此，本研究團隊使用了一種4,5-多巴雙加氧酶(DOD)，它對L-DOPA有專一性，並且不受酪胺酸的干擾，所以能夠同時定量L-DOPA和酪胺酸。 　　在本研究中開發了一個即時系統來量化L-DOPA、酪胺酸和肌酐並且支援同時偵測。該系統包括紙基材料，用於保持相同檢測環境的封閉式外殼，以及一個用以驅動智能手機成像系統的IOS APP(如圖1)。紙基材料以高碘酸鈉等化合物進行表面修飾以提高檢測性能，並且經由測試後，此紙基材料最多可以儲存超過20天，本研究也將反應試劑與常見的干擾物(包括麩胺酸、L-胱胺酸、多巴胺、尿酸和抗壞血酸)，結果指出三種試劑分別對其受質表現出很強的專一性。 　　總結，本研究開發了一種紙基材料的比色法感測器。實驗結果與其他文獻的比色法L-DOPA感測器相比，有顯著較高的最低檢測極限(0.12 nM)。因此，此感測器的檢測性能有可能超越現有方法，足以於臨床檢測L-DOPA，也更易於使用，無需額外的樣品製備步驟來檢測酪胺酸，可以有效地同時分析三種生物標記分子，並且可以於手機APP上快速獲得測試結果以進行遠端疾病管理，所提出的表面紙基材料系統在無需額外設備的情況下於分析上具有突出的潛力，可完美用於TH缺乏症患者的常規檢查。   圖1：研究團隊自行開發簡易且支援多國語言的APP，提高居家檢測的可能性。    原文出處：Chen, P. C., Chen, K. H., Lin, C. Y., & Yeh, Y. C. (2021). Rapidly and simultaneously quantifying multiple biomarkers of L-tyrosine hydroxylase deficiency by using paper microfluidic devices and smartphone-based analysis system. Sensors and Actuators, B: Chemical, 349, [130722]. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130722