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核酸检测的应用主要包括病原体分析、遗传疾病鉴定、肿瘤早期诊断、酶活分析等。例如，循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA, ctDNA)是一种来源于恶性细胞的游离DNA片段，携带肿瘤特异性序列改变。ctDNA释放的确切机制目前仍未知，推测可能与濒死细胞的凋亡或坏死有关。通过对ctDNA的定量分析可以获得一系列肿瘤病灶的信息，包括基因点突变、基因组完整程度等。因此ctDNA是一种个性化的肿瘤标志物，在癌症诊断和恶性程度评估等方面能够起到关键作用。
近期，苏州医工所缪鹏研究员课题组发展了一种基于环状双足DNA步行反应的电化学纳米机器，用于ctDNA等核酸指标的高灵敏分析。
首先通过序列设计在DNA探针A与B之间搭建pH可控调节的分子间三螺旋DNA纳米结构，构建出可再生的修饰电极界面。
随后，设计了一种简单有效的链置换策略来放大目标核酸序列的信息。通过将引物与模板序列进行一体化设计，整合于单条发夹结构DNA探针中，有效提升了反应速率，在目标核酸序列存在条件下可生成大量包含目标序列的单链DNA用于下游反应。
接着，发展了环状双足DNA步行反应策略。设计的哑铃结构DNA探针环部分包含有DNA核酶，初始状态下无法与电极界面轨道链结合反应，处于失活状态。当其被上步链置换反应产生的单链DNA所作用时，可逐步释放哑铃环，同时，该探针的5’和3’端之间依次发生自身杂交，形成环状DNA结构。环状双足步行链可进一步与修饰有轨道链的电极发生作用，持续催化裂解反应从而诱导电化学响应的变化。
基于该策略，在优化的实验条件下实现了2.2 aM(约1.3 copy/μL)的核酸检测灵敏度。此外该方法具有良好的序列选择性。进一步对临床血清样本、咽拭子样本等进行了测试验证，通过对异常电化学信号的分析可以在健康对照组中有效分辨出相应患者。该策略也为目前迫切需求的急性感染性疾病病毒核酸检测提供了一种快速高灵敏的新方法。
相关工作得到了国家重点研发计划(2017YFE0132300)等项目的资助。结果已发表ACS Nano, 2022, 16, 4726-4733 (IF=15.881)
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11582
图1 基于环状双足步行反应的电化学核酸检测原理示意图
图2 基于方波伏安曲线峰电流分辨(A)乳腺癌患者与健康对照，(B)新冠阳性患者与康复对照
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苏州医工所缪鹏课题组在ctDNA高灵敏检测方面取得进展
核酸检测的应用主要包括病原体分析、遗传疾病鉴定、肿瘤早期诊断、酶活分析等。例如，循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA, ctDNA)是一种来源于恶性细胞的游离DNA片段，携带肿瘤特异性序列改变。ctDNA释放的确切机制目前仍未知，推测可能与濒死细胞的凋亡或坏死有关。通过对ctDNA的定量分析可以获得一系列肿瘤病灶的信息，包括基因点突变、基因组完整程度等。因此ctDNA是一种个性化的肿瘤标志物，在癌症诊断和恶性程度评估等方面能够起到关键作用。
近期，苏州医工所缪鹏研究员课题组发展了一种基于环状双足DNA步行反应的电化学纳米机器，用于ctDNA等核酸指标的高灵敏分析。
首先通过序列设计在DNA探针A与B之间搭建pH可控调节的分子间三螺旋DNA纳米结构，构建出可再生的修饰电极界面。
随后，设计了一种简单有效的链置换策略来放大目标核酸序列的信息。通过将引物与模板序列进行一体化设计，整合于单条发夹结构DNA探针中，有效提升了反应速率，在目标核酸序列存在条件下可生成大量包含目标序列的单链DNA用于下游反应。
接着，发展了环状双足DNA步行反应策略。设计的哑铃结构DNA探针环部分包含有DNA核酶，初始状态下无法与电极界面轨道链结合反应，处于失活状态。当其被上步链置换反应产生的单链DNA所作用时，可逐步释放哑铃环，同时，该探针的5’和3’端之间依次发生自身杂交，形成环状DNA结构。环状双足步行链可进一步与修饰有轨道链的电极发生作用，持续催化裂解反应从而诱导电化学响应的变化。
基于该策略，在优化的实验条件下实现了2.2 aM(约1.3 copy/μL)的核酸检测灵敏度。此外该方法具有良好的序列选择性。进一步对临床血清样本、咽拭子样本等进行了测试验证，通过对异常电化学信号的分析可以在健康对照组中有效分辨出相应患者。该策略也为目前迫切需求的急性感染性疾病病毒核酸检测提供了一种快速高灵敏的新方法。
相关工作得到了国家重点研发计划(2017YFE0132300)等项目的资助。结果已发表ACS Nano, 2022, 16, 4726-4733 (IF=15.881)
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11582
图1 基于环状双足步行反应的电化学核酸检测原理示意图
图2 基于方波伏安曲线峰电流分辨(A)乳腺癌患者与健康对照，(B)新冠阳性患者与康复对照