清華新聞網(wǎng)10月14日電 2024年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了兩位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了微小核糖核酸（microRNA或miRNA）及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中的關(guān)鍵作用。miRNA被廣泛認(rèn)為是最具潛力的腫瘤標(biāo)志物之一。然而，作為一類長(zhǎng)度僅為18至25個(gè)核苷酸的小RNA分子，miRNA在血液中的濃度極低，現(xiàn)有檢測(cè)手段通常成本高昂、操作繁瑣且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，開發(fā)快速靈敏的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院與首都醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院合作，取得了miRNA檢測(cè)技術(shù)的重要進(jìn)展，成功建立了一種超靈敏的miRNA快速檢測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)將雙鏈特異性核酸酶（DSN）與潔凈石墨烯原子層晶體管技術(shù)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了低至25aM濃度的miRNA檢測(cè)。同時(shí)，該技術(shù)能夠直接檢測(cè)癌癥患者臨床血漿樣本中的miR-21致癌基因，無(wú)需提取總RNA或進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增，大幅簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程，為miRNA的快速靈敏現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了新途徑。
圖1.DSN輔助的原子層晶體管用于快速靈敏現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)miRNA原理示意圖
圖1展示了原子層晶體管結(jié)合DSN酶的顯著優(yōu)勢(shì)。DSN酶的引入突破了基于堿基互補(bǔ)配對(duì)的傳統(tǒng)晶體管核酸傳感器設(shè)計(jì)。DSN酶具有特異性裂解DNA/RNA雙鏈中的DNA特性，同時(shí)不影響單鏈DNA和RNA，從而大幅放大了晶體管的檢測(cè)信號(hào)，提升了傳感器的靈敏度和特異性。作為單原子層材料的典型代表，石墨烯的所有原子都暴露在外，使得其原子層晶體管在環(huán)境變化中展現(xiàn)出極高的靈敏度，并且能夠與現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)縫對(duì)接，重新定義生物化學(xué)傳感分析的標(biāo)準(zhǔn)。
為了驗(yàn)證所制備晶體管傳感器的臨床應(yīng)用性能，如圖2a所示，該研究對(duì)肝細(xì)胞癌（HCC）和子宮內(nèi)膜癌（EC）患者的臨床血漿樣本進(jìn)行了測(cè)試（在PCR檢測(cè)中，樣本中miR-21的平均相對(duì)表達(dá)水平分別為5.5和3.0）。作為對(duì)照，健康人樣本的miR-21的平均相對(duì)表達(dá)水平為1.1。在無(wú)需前期標(biāo)記或預(yù)擴(kuò)增的條件下，傳感器成功獲得了清晰的偏移信號(hào)（圖2b）。這些初步結(jié)果表明，DSN輔助的原子層晶體管能夠區(qū)分miR-21在癌癥患者中高于健康人群的表達(dá)水平（圖2c），驗(yàn)證了其在未預(yù)處理的臨床樣品中的檢測(cè)可行性。
圖2.DSN輔助的原子層晶體管用于臨床樣品中miR-21檢測(cè)。a.臨床血漿樣本的快速檢測(cè)流程圖；b.15個(gè)臨床樣本的信號(hào)偏移量。其中1-5為健康人群樣本，6-10為HCC患者樣本，11-15為EC患者樣本。每個(gè)測(cè)試重復(fù)3次并取平均；c.晶體管傳感器與qRT-PCR檢測(cè)臨床血漿樣本中miR-21表達(dá)水平的對(duì)比圖。顯著性標(biāo)記：*p< 0.01, **p< 0.005
相關(guān)研究成果以“雙鏈特異性核酸酶輔助的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器：一種無(wú)需預(yù)擴(kuò)增的癌癥相關(guān)miRNA檢測(cè)新平臺(tái)”（ Duplex-specific-nuclease-assisted graphene field-effect transistor biosensor: a novel platform for preamplification-free detection of cancer related miRNA”）為題，于9月26日在線發(fā)表于《碳》（Carbon）。
清華大學(xué)材料學(xué)院博士后王乾龍為論文第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院副教授符汪洋和首都醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院教授張曉艷為論文通訊作者。清華大學(xué)材料學(xué)院教授張政軍、副研究員凌云漢和副研究員王煒鵬等為研究作出重要貢獻(xiàn)。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622324008893
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
