Cap-QuIC:一种早期发现神经退行性疾病的新的视觉诊断技术

明尼苏达大学的研究人员开发了一种新的视觉诊断技术，可用于推进神经退行性疾病如帕金森病的早期检测，以及检测影响动物的类似疾病，包括鹿的慢性消耗性疾病。这项研究发表在《Nature》杂志出版的同行评议科学期刊《npj Biosensing》上。

帕金森氏症的特点是错误折叠的α -突触核蛋白在大脑神经细胞中积聚。这种疾病影响全世界数百万人，但是早期诊断和治疗存在挑战——现今大多数诊断来自于在疾病晚期在临床环境中对一个人的外部症状的观察——这些症状通常在疾病的相对晚期表现出来，因此限制了潜在的治疗应用。早期诊断依赖于脆弱和昂贵的检测设备，这限制了在发展中国家的可及性。

明尼苏达大学的研究人员提出了Capillary-based Quaking Induced Conversion (基于毛细管震动诱导转换，简称Cap-QuIC，)：一种基于简单毛细管作用的视觉诊断方法，用于检测神经退行性疾病，而不需要昂贵和复杂的资本设备。研究人员证明这种方法能够成功区分健康蛋白与错误折叠蛋白（帕金森病的α-突触核蛋白和慢性消耗性疾病相关的朊病毒），Cap-QuIC有潜力成为广泛的错误折叠蛋白的检测工具。这项研究报告阐明了Cap-QuIC检测区分错误折叠蛋白的潜在机制，突出了其作为神经退行性疾病诊断技术的潜力。此外，Cap-QuIC还可以准确地对感染慢性消耗性疾病的野生白尾鹿的生物组织样本进行分类。

近年来利用蛋白质错误折叠扩增来检测人类(PD)和动物(CWD)蛋白质病变的方法包括：蛋白质错误折叠循环扩增(PMCA)、终点振动诱导转化(EP-QuIC)和实时振动诱导转化(RT-QuIC)。这些检测也被称为种子扩增检测(SAAs)。这些扩增检测的最新版本利用重组哺乳动物蛋白底物(如朊蛋白或α-syn)，与诊断样品一起孵育和摇晃。当扩增反应中(如RT-QuIC)存在错误折叠蛋白的感染形式时，它诱导底物蛋白的构象变化，形成β -片富集混合物，可通过硫黄素T (ThT)的荧光信号检测到。尽管扩增测定法具有优势，但这些方法也有局限性，包括需要昂贵的大型实验室设备和复杂的可视化和分析结果策略，从而限制了诊断测试的可及性。

第一作者彼Peter christensen是电子和计算机工程博士后研究员，他首先发现了健康和患病样本经过QuIC后肉眼可见的差异，“我记得我在实验室里用一个昂贵的荧光酶标仪来确定我的样本是阳性还是阴性。当我继续实验时，我能够在将每个样本放入酶标仪之前预测其状态，”“然后我突然想到，‘如果我能通过眼睛判断样品的状态，我为什么还要费劲地使用这么昂贵的设备呢?’”这是一个突破性的时刻，引导我们开发出新的错误折叠蛋白质检测方法。”

观察到QuIC后扩增的不同样品溶液在液气界面上具有明显的差异(图1a)，他们检查了QuIC扩增后不同样品溶液在毛细管中的液体高度差异，以更定量的方式表征这一点。实验表明，含有α-syn和朊病毒的错误折叠构象和天然构象的对照溶液在毛细作用方面存在明显差异(图1b-3)。作者证实毛细管作用的这些变化是由于蛋白质表面修饰对玻璃毛细管疏水性的影响。利用这一现象，他们提出了毛细管震动诱导转换(Cap-QuIC)检测错误折叠蛋白的方法。随着概念验证实验证明其在α-syn和CWD诊断中的潜力，作者认为Cap-QuIC不仅可以用于PD和CWD诊断，还可以用于各种蛋白质错误折叠疾病，如阿尔茨海默氏症、ALS和CJD。

Cap-QuIC可视化方法利用简单的动作来检测错误折叠的α -突触核蛋白——使用装生物材料的玻璃毛细血管，通过观察管内液体运动的差异就可以区分正常蛋白质和疾病相关蛋白质。

作者视角

明尼苏达大学科学与工程学院电子与计算机工程教授Hye Yoon Park表示：“研究人员现在将能够用肉眼区分受感染的样本，这使得检测更容易获得，成本更低。这种新方法建立在研究人员先前的突破性诊断技术的基础上，该技术允许更快，更准确地检测疾病。Cap-QuIC的简单和高效可以降低常规筛查神经退行性疾病的障碍，最终导致早期干预和更好的患者预后。”

兽医学院兽医和生物医学科学副教授Peter Larsen说：“这种方法不仅适用于帕金森氏症，还可以加速其他类似疾病的诊断，包括鹿的慢性消耗性疾病，”研究人员在感染慢性消耗性疾病的野生白尾鹿的组织上测试了这项技术，并表明Cap-QuIC可以对样本进行高灵敏度和特异性的分类。

科学与工程学院电气与计算机工程系博多主席、该论文的资深合著者Sang-Hyun Oh教授说：“我们的Cap-QuIC程序代表了即时神经退行性疾病诊断的重大进步，”“通过简化检测过程，我们有可能更早地诊断出帕金森病，这对有效的管理和治疗至关重要。”