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篠原 寛明 浅野 泰久 JP 4702341 特許公報(B2) 20110318 2007240318 20070917 フェニルアラニンセンサ及びフェニルアラニン測定方法 国立大学法人富山大学 305060567 富山県 000236920 大谷 嘉一 100114074 篠原 寛明 浅野 泰久 20110615 G01N 27/327 20060101AFI20110526BHJP G01N 27/416 20060101ALI20110526BHJP JPG01N27/30 353UG01N27/30 353FG01N27/30 353BG01N27/46 336G Ｇ０１Ｎ ２７／３２７ Ｇ０１Ｎ ２７／４１６ ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩ） 国際公開第０２／０１８６２７（ＷＯ，Ａ１） 特開平０８−３２２５８２（ＪＰ，Ａ） 国際公開第２００６／０２２１１３（ＷＯ，Ａ１） 国際公開第２００５／０７５９７０（ＷＯ，Ａ１） 4 2009069085 20090402 8 20100913 大竹 秀紀 本発明は、血液、尿、唾液等の生体試料中のフェニルアラニン濃度、あるいは食品試料中のフェニルアラニン濃度を測定するバイオセンサ及びバイオセンサを用いたフェニルアラニンの測定方法に関する。 各種基質に対する脱水素酵素反応を用いて、その酵素反応により生じる補酵素の還元型補酵素（ＮＡＤＨ，ＮＡＤＰＨ）を直接的に分光学的あるいは電気化学的に定量すること、さらには、この還元型補酵素により生成する還元型電子メディエーターや還元型色素を電気化学的あるいは比色法や蛍光法といった分光学的方法により検出するバイオセンサが開発されている。 フェニルアラニンは必須アミノ酸の１つであり、生体試料中のフェニルアラニンの濃度測定はフェニルケトン尿症（ＰＫＵ）の診断に有用であることから、フェニルアラニンを基質とした酵素反応を用いたバイオセンサも開発されている。 例えば、非特許文献１には、フェニルアラニンデヒドロゲナーゼ（フェニルアラニン脱水素酵素）、ＮＡＤ＋、ジアホラーゼ、さらにヨードニトロテトラゾリウムの混合液中に、フェニルアラニンを加えると生じたＮＡＤＨによりテトラゾリウムがホルマザンとなり、その４９２ｎｍの３０分間の吸光度増加から、血漿中のフェニルアラニンを３０〜１２００μＭの範囲で定量検出することを記載する。 非特許文献２には、スライドグラス上に組み換えフェニルアラニンデヒドロゲナーゼを固定化し、その上に形成した微小ウェル中に、ジアホラーゼ、ＮＡＤ＋、レサズリン、血液サンプルから抽出したフェニルアラニンの混合液を添加し、１時間後、酵素反応で生じた還元型レサズリンの蛍光を蛍光スキャナーで計測することにより、２４〜７８０μＭの濃度範囲でフェニルアラニンの検出ができることを記載する。 また、非特許文献３には、フェニルアラニンデヒドロゲナーゼ、ＮＡＤ＋、電子メディエーターとしての３，４−ＤＨＢをカーボンペーストの中に同時に包括固定した電極を用い、試薬を一切添加せず、ヒト尿中のフェニルアラニンの検出を酸化電流の増加より行い、０．５〜８０ｍＭの検出を実現できることを示している。 非特許文献４には、フェニルアラニンデヒドロゲナーゼを架橋法で共有結合固定化したアセチルセルロース膜をカーボン電極の先端に装着して、ＮＡＤ＋を含む緩衝液中で＋７００ｍＶに電位設定して、フェニルアラニン添加時に酵素反応で生じるＮＡＤＨの電気化学酸化電流を測定することにより、２５μＭ〜９ｍＭのフェニルアラニンの検出方法を記載する。 特許文献５には、試薬としてＬ−フェニルアラニン脱水素酵素と補酵素である酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）もしくは酸化型ニコチンアミドアデニンヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ＋）および電子メディエーターを、少なくとも作用極と対極からなる電極系と一体化することによって構成される旨が開示されている。 しかし、これらの発明の多くが、デヒドロゲナーゼ、補酵素（ＮＡＤ＋あるいはＮＡＤＰ＋）、電子メディエーターや発色色素をウェル中で均一な混合溶液として測定する、もしくは高分子膜担体や導電性微粉末材料中に吸着や包括固定化して測定するものであり、測定の後、酵素は使い捨てにするものがほとんどであった。 また、分光学的測定法では試料の処理方法が煩雑で且つ分析時間に３０分以上も要する問題があり、電流計測方法においてはフェニルアラニンの検出限界が１００μＭレベルと高かった。U.Wendel, W.Hummel, and U. Langenbeck, Monitoring of phenylketonuria: A colorimetric method for the determination of plasma phenylalanine using -phenylalanine dehydrogenase, Analytical Biochemistry, 180(1), 91-94(1989).S.Tachibana, M.Suzuki and Y.Asano, Application of an enzyme chip to the microquantification of l-phenylalanine, Analytical Biochemistry, 359( 1), 72-78 (2006).D.J.Weiss, M.Dorris, A Loh and L.Peterson, Dehydrogenase based reagentless biosensor for monitoring phenylketonuria, Biosensors and Bioelectronics, 22(11), 2436-2441(2007).R.Villalonga, A.Fujii, H.Shinohara, S.Tachibana and Y.Asano, Covalent immobilization of phenylalanine dehydrogenase on cellulose membrane for biosensor construction, Sensors and Actuators B: Chemical, In Press, Accepted Manuscript, Available online 27 July 2007.国際公開ＷＯ００／０４３７８パンフレット 本発明は、フェニルアラニンの検出限界濃度が低く、短時間にて分析測定できるとともに繰り返し使用も可能なフェニルアラニンセンサ及びこれを用いたフェニルアラニンの測定方法の提供を目的とする。 本発明に係るフェニルアラニンセンサは、電極上にフェニルアラニン脱水素酵素とジアホラーゼとを共有結合法により同時固定化した作用極と対極からなり、補酵素及び電子メディエーターを含有する試料液に浸漬してフェニルアラニンの濃度を測定するのに使用するものであることを特徴とする。 作用極となる電極上に、フェニルアラニン脱水素酵素とジアホラーゼとを固定化する方法はメルカプトカルボン酸の自己集積化膜等を用いた共有結合法が簡便で同時固定化できるので好ましい。 本発明においては、脱水素酵素とジアホラーゼの二種類の異なる酵素を同一電極上に共有結合法にて同時固定化した点に特徴があり、第１段階の脱水素酵素反応により生成するＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨが第２段階のジアホラーゼ等による酵素反応で即座に電子メディエーターの還元に使われることから、基質の検出性能が高く、脱水素酵素及び電子メディエーターの選定により各種基質のバイオセンサとして活用できるものであり、第１段階酵素反応として、グルタミン酸脱水素酵素、ロイシン脱水素酵素等をフェニルアラニン脱水素酵素と組み合せることでマルチバイオセンサも可能になる。 補酵素としては、酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）又は酸化型ニコチンアミドアデニンヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ＋）が好ましい。 フェニルアラニン基質とフェニルアラニン脱水素酵素との酵素反応により生じた還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）又は還元型ニコチンアミドアデニンヌクレオチドリン酸から電子メディエーターに電子移動し、このメディエーターが還元型の電子メディエーターになる。 還元型の電子メディエーターの存在下において電極系に所定の電圧を印加すると基質濃度に応じて酸化電流が応答電流として出力される。 従って、本発明において電子メディエーターはＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨにより電気化学的に還元され、電極において酸化される可逆的反応物質であれば特に限定されない。 電子メディエーターとしてはフェロセン誘導体、キノン類、フェリシアン化カリウム、オスミウム錯体、ルテニウム錯体、フェノチアジン誘導体、フェナジンメトサルフェート誘導体、ｐ−アミノフェノール、メルドーラブルー、２，６−ジクロロフェノールインドフェノールのいずれかが良く、フェロセン誘導体の代表例にはフェロセンメタノールがあり、キノン類の代表例にはベンゾキノンがある。 例えば、フェロセンメタノールは下記化学式のように酸化、還元反応を示す。 このようなバイオセンサを用いた生体中又は食品中に含まれるフェニルアラニンの測定方法であって、フェニルアラニン脱水素酵素とジアホラーゼとを固定化した作用極及び、対極からなる電極系を用いて、フェニルアラニン脱水素酵素を触媒にしてフェニルアラニン基質からＮＡＤ＋又はＮＡＤＰ＋に電子移動反応をさせ、生じたＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨからジアホラーゼを触媒として電子メディエーターに電子移動反応させて、所定の印加電圧下における還元型電子メディエーターの酸化応答電流値を測定することを特徴とする。 本発明は、電極上においてフェニルアラニン脱水素酵素とジアホラーゼの２種類の酵素を相互に近傍に固定化したことにより、第１段階のフェニルアラニン脱水素酵素の酵素反応で生じたＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨが第２段階のジアホラーゼの酵素反応により電子メディエーターを還元するのでフェニルアラニン脱水素酵素の見かけの平衡定数Ｋｍ値が７５μＭから４０μＭに減少し、より低濃度でのフェニルアラニンの検出が可能になる。 また、これにより容易に血中のフェニルアラニンを測定できる。 なお、正常人では血中フェニルアラニンは２０〜１１０μＭであるがフェニルケトン尿症患者は約１２０μＭ以上といわれている。 本発明に係るフェニルアラニンセンサの構造及び測定方法を以下説明するが、２種類以上の酵素を同一電極上に固定化するものである限りにおいて広く展開でき、本実施例に限定されるものではない。 （電極への酵素の固定） 直径１．６ｍｍの金ディスク電極を、２〜２０ｍＭになるようメルカプトカルボン酸のスクシンイミドエステルを溶かしたジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）溶液に１〜２時間浸漬し、その自己組織化膜を形成した。 次いで約５％のポリアリルアミン（ＰＡＡ）を溶かしたリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）に３０分〜１晩浸漬してＰＡＡをこの自己組織化膜に結合させた。 さらに５％グルタルアルデヒド水溶液で３０分から２時間処理した後、２ｍｇ／ｍＬのフェニルアラニン脱水素酵素（ＰｈｅＤＨ）と２ｍｇ／ｍＬのジアホラーゼ（ＤＩ）の等量混合液に３０分〜一晩浸けて電極にこれらの酵素を同時に修飾した。 その構造を図１に模式的に示す。 なお、自己組織化膜を形成する際のメルカプトカルボン酸スクシンイミドエステルとしては、メルカプトプロピオン酸やメルカプトウンデカン酸等のスクシンイミドエステル体が利用可能であるが、鎖長が適当に長いメルカプトカルボン酸を用いて自己組織化膜を作製したほうが、その疎水性分子薄膜のバリヤ効果により、後のフェニルアラニンセンサの出力測定の際に血中などに含まれるアスコルビン酸、尿酸などの負電荷を持ち電気化学反応性の夾雑物質による妨害を受けにくくできることを新たに明らかにしており、現状ではメルカプトウンデカン酸スクシンイミドエステルの利用が好ましい。 また、さらに血中や食品サンプル中に共存するアスコルビン酸などの電気化学反応性物質の妨害を抑制したいときには、市販の陰イオン性ポリマーである商品名：Ｎａｆｉｏｎ（ナフィオン）（登録商標）の溶液を酵素固定化電極表面に滴下乾燥して、修飾電極を仕上げると有効である。 こうして作製した酵素固定化電極は、洗浄後使用時までは、酵素の活性を最適に保つグリシン‐ＫＯＨ緩衝液（ｐＨ９．５）中に浸漬して、冷蔵保存した。 （フェニルアラニンセンサの応答測定） フェニルアラニンセンサの応答は、Ｇｌｙ−ＫＯＨ緩衝液（ｐＨ９．５）に、ＮＡＤ＋を１．５ｍＭ、フェロセンメタノールを０．１ ｍＭ溶かした測定液中に酵素固定化電極をセットして測定した。 そこにフェニルアラニン溶液を順次添加し、０〜５００ｍＶ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）の電位範囲でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）を用いて触媒電流の増加を調べた。 ＣＶの走査速度は５ｍＶ／ｓで行った（１サイクルの測定で２００秒）。 対極にはＰｔ電極を、参照電極はＡｇ／ＡｇＣｌ電極を使用した。 その構造を図２に模式的に示す。 本発明に係るバイオセンサの計測原理を図３に示す。 作製したフェニルアラニンセンサは、図４に示すように、フェニルアラニン濃度の増加とともにＣＶにおける触媒電流の増加が観測された。 また、２９０ｍＶでの触媒電流値とフェニルアラニン濃度の関係を図５に示した。 この結果から本センサのフェニルアラニン定量可能範囲は、２０μＭ〜１６０μＭであった。 また、比色法（均一系）で測定したＰｈｅＤＨフェニルアラニンに対するＫｍ値は７５μＭであったが、一方、本センサのフェニルアラニンに対する見かけのＫｍ値は４２μＭであり、高感度検出に有利であった。 図６にフェニルアラニンセンサとフェニルアラニン脱水素酵素の基質特異性の比較を示す。 本センサは比色法で測定したフェニルアラニン脱水素酵素自体とほぼ同様の基質特異性を示した。 フェニルアラニンに対する選択性が高いことが明らかになった。 本発明は血液中や食品中のフェニルアラニンの定量によりフェニルケトン尿症等の先天性代謝異常症早期診断や食品中の有用成分の検出に適用できる。 また、フェニルアラニン脱水素酵素とジアホラーゼを電極表面に直接共有結合固定化してあるため、電極を洗浄し、補酵素と電子メディエーターを加えた緩衝液中に浸漬すれば繰り返し使用できるので経済的である。電極構造を示す。計測システムを示す。センサの計測原理を示す。フェニルアラニン濃度に依存したセンサのサイクリックボルタモグラムの変化を示す。２９０ｍＶにおける触媒電流のフェニルアラニン濃度依存性を示す。フェニルアラニンセンサとフェニルアラニン脱水素酵素の基質特異性の比較を示す。 電極上にフェニルアラニン脱水素酵素とジアホラーゼとを共有結合法により同時固定化した作用極と対極からなり、補酵素及び電子メディエーターを含有する試料液に浸漬してフェニルアラニンの濃度を測定するのに使用するものであることを特徴とするフェニルアラニンセンサ。 補酵素は、ＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨである前記試料液に浸漬して使用するものであることを特徴とする請求項１記載のフェニルアラニンセンサ。 電子メディエーターは、フェロセン誘導体、キノン類、フェリシアン化カリウム、オスミウム錯体、ルテニウム錯体、フェノチアジン誘導体、フェナジンメトサルフェート誘導体、ｐ−アミノフェノール、メルドーラブルー、２，６−ジクロロフェノールインドフェノールのいずれかである前記試料液に浸漬して使用するものであることを特徴とする請求項１又は２記載のフェニルアラニンセンサ。 生体中又は食品中に含まれるフェニルアラニンの測定方法であって、請求項３記載のフェニルアラニンセンサを用いて、フェニルアラニン脱水素酵素を触媒にしてフェニルアラニン基質からＮＡＤ＋又はＮＡＤＰ＋に電子移動反応をさせ、生じたＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨからジアホラーゼを触媒として電子メディエーターに電子移動反応させて、所定の印加電圧下における還元型電子メディエーターの酸化応答電流値を測定することを特徴とするフェニルアラニンの濃度測定方法。

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