Angew. Chem.：新型二硼酸分子设计用于葡萄糖的电动力学监测研究

血糖水平的反馈调节功能紊乱通常会导致糖尿病，甚至导致严重的并发症如心脏病、肾衰竭和失明等。连续血糖监测仪（CGMs）是一类跟踪血糖水平的体内装置。如果CGM进行稳定的、实时定量的血糖测量，它可以与胰岛素输送系统集成，以实现体内葡萄糖含量的闭环控制。然而，大多数商用CGMs采用酶辅助电化学传感策略，由于酶的不稳定性，这些装置通常存在启动时间延迟（>2小时），使用寿命短（<2周）以及需要频繁校准等缺点。

最近，加州大学Guillermo C. Bazan教授（点击查看介绍）团队设计了一种易合成、水溶性好、对葡萄糖有良好亲和力和选择性的二硼酸结构分子，可在生理pH下大幅度改变pK_a 以用于葡萄糖检测（0-30 mM）。不同于传统的酶辅助电化学或光学传感策略，本研究首次用电导传感策略实现了无酶条件下葡萄糖含量的成功监测，预计这项工作将引起对连续血糖监测感兴趣的学者以及寻求稳定、长期CGMs的工程师、医生和患者的极大兴趣。此外，合成小分子的电导传感开辟了一个全新的、可推广的生物分子检测平台，为下一代监测设备的研发奠定了良好基础。

本研究首先设计了一种新颖的对葡萄糖具有良好选择性和亲和力（kd≈1mM）的二硼酸结构DBA2+。随着与葡萄糖结合，DBA2+的pK_a 从9.4降低到6.3，从而在生理pH下引起去质子化。在磷酸盐缓冲液中，释放的质子被磷酸根中和，DBA2+和硫酸根较高的离子传导率状态转变为DBA2+/葡萄糖复合物（DBA-G）和磷酸较低的离子传导率状态，实现对葡萄糖的电导检测。

随后，基于高pH介质中形成四面体硼酸盐阴离子时吸收光谱的差异对葡萄糖结合前后DBA2+的pK_a 进行了测定。在200 mM葡萄糖存在下，pK_a 由9.4降低至6.3，验证了DBA2+与葡萄糖的结合。接下来，研究通过测量280 nm下紫外线-可见吸收的变化验证了DBA2+对葡萄糖的亲和力和选择性。基于DBA2+的特性，作者应用低压交流阻抗谱构建了电导率传感平台用于葡萄糖的检测，传感器在0-30 mM浓度范围内对葡萄糖表现出非常好的响应。考虑到二氧化碳的影响，本研究使用mM水平的H₂PO₄^-/HPO₄^2-作为缓冲液。此外，本研究通过对传感器的电阻R和电导σ进行四次测量评估了方法的重现性，通过R或σ测量值的百分比变化验证了测量值的准确性，最后通过其他糖的干扰实验验证了传感器的选择性。

总的来说，本研究报道了一种基于DBA2+分子设计的无酶电导传感器。其中，结构简单DBA2+分子优势众多：1）对葡萄糖具有良好的亲和力和选择性；2）在生理pH下能与葡萄糖结合改变pK_a ；3）水溶性好；4）易于合成。因此，DBA2+与葡萄糖结合时可改变溶液电阻，其所构建的传感器可通过溶液的导电率变化来检测生理pH下的葡萄糖浓度。特别的，DBA2+及其相关衍生物所构建的传感器克服了传统小分子葡萄糖传感方法所欠缺的选择性和酶促葡萄糖传感方法所欠缺的稳定性，本研究所提出的非酶、非光学、非电化学葡萄糖传感策略也有望应用于更便宜、更稳定的CGMs研究。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

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Molecular Design of a New Diboronic Acid for Electrohydro‐dynamic Monitoring of Glucose

Guillermo C. Bazan, Bing Wang, Kuang-Hua Chou, Bridget N. Queenan, Sumita Pennathur

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201904595

导师介绍

Guillermo C. Bazan

https://www.x-mol.com/university/faculty/476

Angewandte Chemie

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