納米生物傳感器在腫瘤microRNA-21檢測(cè)中的應(yīng)用

牛亞倩，劉芳 綜述，陳徹 審校

甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

目前已發(fā)現(xiàn)大量miRNAs 在人類腫瘤中上調(diào)或下調(diào)，發(fā)揮促癌或抑癌的功能，在腫瘤的發(fā)生、侵襲轉(zhuǎn)移和治療耐藥等方面發(fā)揮重要作用［1］。microRNA-21（miRNA21，miR-21）是最早發(fā)現(xiàn)的人類 miRNA之一，其基因位于17 號(hào)染色體q23.2 區(qū)域，位于跨膜蛋白49（TMEM49）基因，也稱人液泡膜蛋白1（vacuole membrane protein-1，VMP1）基因的內(nèi)含子區(qū)域［2］。多項(xiàng)研究表明，miR-21 在結(jié)腸癌、肺癌、肝癌、前列腺癌、腎細(xì)胞癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤等癌癥中異常增高，且在腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲、遷移和凋亡中發(fā)揮至關(guān)重要的作用［3-8］。此外，miR-21 水平升高與晚期腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、腫瘤大小和患者總生存期降低有關(guān)［9］。也有研究顯示，miR-21 過(guò)表達(dá)是慢性粒細(xì)胞白血病患者有效監(jiān)測(cè)藥物反應(yīng)和治療結(jié)果的分子預(yù)后標(biāo)志物及預(yù)測(cè)工具［10］。miR-21 在腫瘤的發(fā)生及進(jìn)展中起重要作用，在診斷多種腫瘤中表現(xiàn)出較高的靈敏度和特異度，可能成為臨床上新的腫瘤早期診斷及預(yù)后標(biāo)志物［11］。miRNA 分析的常用方法有逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）、Northern blotting、微陣列技術(shù)等。但這些方法通常耗時(shí)長(zhǎng)，成本高，設(shè)備要求高，靈敏度低，假陽(yáng)性高［12］。在過(guò)去的幾十年里，生物傳感器作為一種快速、可靠和精確的分析方法，在全球醫(yī)療中得到了廣泛應(yīng)用［13］。

本文對(duì)近年來(lái)不同納米材料的生物傳感器在腫瘤miR-21 檢測(cè)中的研究進(jìn)展作一綜述，為腫瘤的早期診斷和預(yù)后評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1 納米生物傳感器

受天然生物傳感啟發(fā)，人工生物傳感以生物分子為敏感元件，物理化學(xué)器件為換能器，通過(guò)特異性分子識(shí)別，將生物反應(yīng)轉(zhuǎn)換成物理化學(xué)信息，再通過(guò)物理化學(xué)換能器轉(zhuǎn)換為可定量的信號(hào)［14］?；诓煌瑩Q能原理將納米生物傳感分為：電生物納米傳感、光學(xué)納米傳感（紫外-可見光譜型、熒光光譜型、拉曼散射型、表面等離子共振光譜型）、納米聲波生物傳感、磁性納米生物傳感、力學(xué)納米生物傳感［15］。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，不同類型、形狀和大小的納米材料應(yīng)用于生物傳感器，以提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性［16-18］。用于生物傳感的納米材料有碳納米材料（碳納米管、石墨烯和炭黑）、納米金、納米金屬氧化物（納米氧化鋅）、DNA 生物納米傳感結(jié)構(gòu)及一些聚合物材料等［19］。相比傳統(tǒng)的生物傳感，納米生物傳感器具有更好的靈敏度、高通量和重復(fù)性。各種納米技術(shù)和納米材料的應(yīng)用，也將更有利于生物傳感器的小型化、微型化、可攜帶、可穿戴等，從而發(fā)展出針對(duì)腫瘤診療更多、更先進(jìn)的傳感模式［15］。

2 納米生物傳感器檢測(cè)miR-21

2.1 石墨烯納米生物傳感器 各項(xiàng)研究已表明，石墨烯納米復(fù)合材料表現(xiàn)出增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)活性以及氣體阻隔性能。這些復(fù)合材料中石墨烯的存在改善了生物材料的機(jī)械／ 電氣性能，增加了生物材料表面的細(xì)胞附著和生長(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域［20］。SALAHANDISH 等［21］在石墨烯生物傳感器上利用電化學(xué)方法固定上銀納米顆粒（AgNPs）以及聚苯胺（polyaniline，PANI），再在該納米復(fù)合物上結(jié)合與miRNA 互補(bǔ)的DNA 探針，采用電化學(xué)伏安法檢測(cè) miRNA，線性范圍為 10 fmol／L ～ 10 μmol／L，檢出限為 0.2 fmol ／ L，具有很高的靈敏度。而且，該生物傳感器能高選擇性地識(shí)別miR-21 與非互補(bǔ)序列，其高選擇性不受檢測(cè)緩沖液的基質(zhì)效應(yīng)影響。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該石墨烯納米生物傳感器能夠直接用于檢測(cè)臨床樣本中的miR-21，且不需要進(jìn)行預(yù)處理，如分離細(xì)胞、核酸提取和擴(kuò)增等，有望提高乳腺癌相關(guān)miRNA 檢測(cè)的靈敏度和檢出效率，從而實(shí)現(xiàn)乳腺癌的早期診斷。RYOO 等［22］提出了一種基于肽核酸和納米級(jí)氧化石墨烯組成的新型生物傳感器，這種高通量篩選策略可識(shí)別調(diào)節(jié)活細(xì)胞中miR-21 表達(dá)的小分子。通過(guò)測(cè)量活細(xì)胞中目標(biāo)miR-21水平對(duì)應(yīng)的定量熒光信號(hào)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)與miR-21 表達(dá)相關(guān)的表型細(xì)胞變化，這種新型生物傳感器為發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞中miRNA 表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制提供了新的檢測(cè)手段。

2.2 金納米粒子（AuNP）s／氮化碳納米片（carbonnitride nano sheet，CNNS）復(fù)合物生物傳感器 AuNPs 具有良好的生物相容性和導(dǎo)電性、有效的催化作用、高密度、高的表面與體積比等優(yōu)良性能［23］，并且可與含氮基團(tuán)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵［24］，在生物測(cè)定領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。有研究者開發(fā)了一種基于AuNPs ／CNNS 復(fù)合材料的電化學(xué)生物傳感器，用于檢測(cè)miRNA，利用雙特異性核酸酶（duplex-specific nuclease，DSN）和發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針?lè)謩e提高了靈敏度和選擇性，所報(bào)道的生物傳感器顯示miR-21 的檢測(cè)范圍在10 fmol／L ～1 nmol ／ L 之間，檢測(cè)限低至 2.9 fmol ／ L。此外，對(duì)血清樣品中添加的miR-21 檢測(cè)表明，所研制的生物傳感器具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，驗(yàn)證了其在疾病早期診斷中的應(yīng)用潛力［12］。

2.3 DNA 納米生物傳感器 DNA 不只是遺傳物質(zhì)，還能通過(guò)折疊形成特定的二維、三維結(jié)構(gòu)，作為一種天然納米材料，可參與各種功能結(jié)構(gòu)和納米器件的構(gòu)造，對(duì)納米科學(xué)產(chǎn)生了重大影響［25］。自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)作為一種新型納米生物材料，可精確排列各種分子和材料，形成空間有序的復(fù)合物，因此，DNA納米結(jié)構(gòu)在許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是生物傳感器中顯示出巨大的應(yīng)用前景［26］。能夠快速、高效地組裝出具有強(qiáng)大的miRNA 測(cè)定功能的DNA 納米材料，是DNA 納米生物技術(shù)和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的關(guān)鍵。研究者提出了一種新的靶標(biāo)觸發(fā)DNA 組裝途徑，通過(guò)將DNA 級(jí)聯(lián)體與G-四鏈體導(dǎo)線相結(jié)合來(lái)構(gòu)建多分支DNA 納米結(jié)構(gòu)。由于在電極表面聚集了大量的G-四鏈體重復(fù)，所獲得的多分支DNA 納米結(jié)構(gòu)能夠與大量的氯化血紅素結(jié)合，從而使電化學(xué)傳感信號(hào)顯著放大，用于對(duì)miR-21 的超靈敏和選擇性檢測(cè)。檢測(cè)下限低至0.2 fmol／L，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為10 fmol／L ～100 nmol ／ L。此外，即使是單堿基突變也可很容易地與目標(biāo)miR-21 區(qū)分開。因此，其為構(gòu)建多功能放大傳感平臺(tái)開辟了一條很有前景的途徑，在基于DNA的生物分析和臨床診斷領(lǐng)域顯示出極大優(yōu)勢(shì)［27］。

ZHAO 等［28］設(shè)計(jì)了一種基于 DNA 四面體納米結(jié)構(gòu)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）的同時(shí)檢測(cè) miR-21、miR-122和miR-223 的新方法。以miR-21 為靶模型，DNA 四面體納米結(jié)構(gòu)是檢測(cè)miRNA 表達(dá)的可靠而有效的方法，檢測(cè)范圍為0.02 ~ 10 nmol ／ L。在人血清樣本中也證實(shí)了可同時(shí)檢測(cè)miRNA。這種簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法有利于估計(jì)腫瘤的進(jìn)展階段，并做出治療決策。此外，該方法還可應(yīng)用于其他生物標(biāo)志物的檢測(cè)，在癌癥的診斷和治療中起至關(guān)重要的作用。

2.4 氧化鋅（ZnO）納米生物傳感器 由于ZnO 納米材料具有無(wú)毒性、生物相容性、良好的導(dǎo)電性和較大的比表面積等特性，拓寬了其在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用［29］。ZHANG 等［30］設(shè)計(jì)了一種 ZnO 納米生物傳感器，在ZnO 表面直接修飾魯米諾，縮短了電子傳輸距離，降低了能量損失。其次，采用ZnO 作為新的共反應(yīng)促進(jìn)劑，加速了溶解氧的還原，顯著提高了魯米諾的電化學(xué)發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌細(xì)胞中miR-21 的超靈敏檢測(cè)，該生物傳感器檢測(cè)限低至18.6 amol ／ L。總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究利用了一種新的協(xié)同反應(yīng)加速器，作為一種高效放大方法用于超靈敏檢測(cè)和分析，為生物分析領(lǐng)域提供了一種新的方法，也為腫瘤生物標(biāo)志物監(jiān)測(cè)提供了一種新的策略。

3 小結(jié)與展望

納米技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題提供了解決方案，本文以miR-21 為例，總結(jié)了近幾年幾種新型納米生物傳感器用于miRNA 的檢測(cè)，在腫瘤的早期診斷、預(yù)后評(píng)估及治療監(jiān)測(cè)中顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。在各種生物樣本中以超低濃度、高選擇性地測(cè)量miRNA的能力在臨床診斷中具有很大意義，并有待直接對(duì)人體樣本（如組織、血液或尿液）進(jìn)行充分探索。理想的用于miRNA 的納米生物傳感器將需要最少或不需要樣品制備或預(yù)處理，并將為許多疾病的早期診斷提供理想的檢測(cè)手段。該領(lǐng)域未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究腫瘤相關(guān)樣本中miRNA 的高通量篩選及對(duì)miRNA完整的分析，設(shè)計(jì)可同時(shí)檢測(cè)多種miRNA 的納米生物傳感器。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米生物傳感技術(shù)將為精準(zhǔn)醫(yī)療帶來(lái)新的機(jī)遇，將有更多的納米材料被開發(fā)出來(lái)，以滿足生物醫(yī)學(xué)的需求。