纳米医学

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早期诊断:让微RNA发光,改变液体活检的纳米技术

来源:药明康德 2017-04-17 13:47

在癌症早期诊断领域,通过检测血液或尿液中与肿瘤相关的生物标记物来诊断癌症的液体活检与传统活检相比侵入性更低,更为经济省时,需要专业技能也较少。循环DNA(circulating DNA),微RNA(microRNA, miRNA),和其它非编码RNA都可以成为与疾病相关的生物标记物。日前,美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)利用“单壁碳纳米管”的光谱特性制成一种能够直接检测血液或尿液中miRNA的纳米传感器。这一创新不但可以让液体活检更为标准化,而且让在人体内实时检测生物标记物也成为可能。


目前的多种miRNA检测手段介绍(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

微RNA由于在体液中很好的稳定性成为液体活检中重要的生物标记物之一。目前多种miRNA检测方法都有各自的缺陷:以qPCR为基础的检测方法灵敏度很高,但是样本提纯和片段复制步骤可能引入系统误差和噪音。基因芯片(microarray)的方法灵敏度不高,而且假阳性比例较高。最新的RNA测序(RNA-Seq)虽然非常灵敏和准确,但是操作步骤和数据处理过程繁杂,导致不同实验室之间的结果很难相互比较。不同的样本提纯试剂盒也会带来各自的系统偏差。那么有没有方法能够避免这些缺陷呢?


一种纳米传感器有望能弥补miRNA检测手段的不足(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

纪念斯隆-凯特琳癌症中心的研究人员合成的纳米传感器解决了这些问题。这种纳米传感器由一条单链DNA片段和单壁碳纳米管构成。单链DNA片段包括一个纳米管结合序列和一个miRNA-19结合序列。单壁碳纳米管的光谱特性是它释放的光信号的波长和强度会随着管壁表面附着的分子的变化而改变。当单链DNA片段与纳米管结合时纳米管释放的荧光波长位于近红外区。而如果环境中存在miRNA-19的DNA或RNA片段时,miRNA-19结合序列会从纳米管上脱离,与miRNA-19片段相结合。这导致在纳米管上暴露出来的区域被溶液中的SDS占据。这个变化导致纳米管释放的荧光波长蓝移(blue-shift)并且荧光强度变强。这个荧光波长和强度的变化能够被检测仪器精确地检测出来。

这种纳米传感器有很高的特异性,它能成功识别miRNA-19序列,而对包含423种随机序列的寡聚核苷酸库没有反应。而且它的敏感性也很高,能够检测到浓度为10~100pM的miRNA。更为重要的是这种纳米传感器直接与样本miRNA结合,荧光信号被直接读出,不需要样本提纯和片段复制的过程,因而避免了现有miRNA检测方法中的固有缺陷。


与特异miRNA分子的结合,会改变纳米管光信号的波长(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

这种纳米传感器的另一个优点在于由于它释放的荧光波长处于近红外区,这些荧光信号可以穿越组织和皮肤仍然被仪器检测到。这意味着这些纳米传感器可以被植入到人体内,成为实时检测生物标记物存在的传感器。研究人员将它们植入到小鼠的腹腔中,当miRNA-19被注射到腹腔中时,透过小鼠的皮肤,研究人员能够检测到纳米传感器与miRNA-19结合时发出的荧光信号。科学家们的预想是在未来可以将检测多种生物标记物的不同纳米传感器移植到患者体内,患者用可穿戴设备对这些生物标记物进行实时检测。这将给早期诊断带来革命性的变化。(生物谷 Bioon.com)
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