水凝胶纳米生物传感器用于多重mRNA癌症标记物的联合诊断

The breast cancer has been the most popular cancer in women in China. Most of current cancer patients are diagnosed when the tumor is already formed or at late stage. Messenger RNA (mRNA) is the primary transcription product of gene. mRNA in peripheral blood of cancer patients are sensitive and efficient molecular markers. It can be detected at early stage of cancer or even before the cancer cell is formed. Cancer-related mRNA analysis can help more precise screening and early diagnosis of cancer. Since single tumor biomarker diagnosis lacks high sensitivity and accuracy, while combined analysis of multiple biomarker can increase the diagnosis accuracy obviously. In this project, mRNA will be isolated from breast cancer cells or blood damples of clinical patients. A composite material based on graphene is used for hydrogel bio-sensor construction and it is modified by multiple DNA probes for combination analysis of four breast cancer-related mRNA, since the electrochemical signal will be changed after probe-mRNA hybridization. This research will provide a new tool for simple, quick diagnosis of breast cancer.

中国乳腺癌的发病率位居女性恶性肿瘤的第一位，目前的检测方法大部分是肿瘤已经形成后或者癌症晚期的诊断。信使RNA(mRNA)是基因的一级转录功能产物，在癌变前期或癌细胞形成前就可以早期发现癌症相关基因mRNA的异常表达，是癌症早期敏感高效的肿瘤分子标志物。单一的mRNA标记物检测缺乏较高的灵敏性和准确度，而mRNA的联合检测可以明显提高乳腺癌诊断的正确率。本项目从乳腺癌细胞系及临床患者标本中提取mRNA，用基于石墨烯的复合纳米材料制备DNA探针修饰的水凝胶生物传感器，利用探针与目的mRNA杂交后引起电化学信号的改变来鉴别mRNA；并通过多重DNA探针修饰的水凝胶传感器来实现四种乳腺癌相关基因mRNA的联合检测。本项目将为乳腺癌的早期诊断、治疗以及预后的判断提供一个简单、快速的新工具。

1..项目背景：.乳腺癌在全球女性癌症患者中发病率和死亡率都居首位，早诊断、早治疗可极大提高乳腺癌治愈率。比色生物传感器易操作、快速响应、可重现性好、成本低廉，但灵敏度低。纳米金因其优异的催化性能和独特的光电性质在生物诊断领域有广泛的应用。二维纳米材料具有各向异性、大比表面积和高载流子迁移率等独特性质。本项目利用纳米金与二维纳米材料复合材料制备的比色传感器检测癌症标志物。.2..研究内容：.利用三级信号放大原理，将零维纳米材料与二维纳米材料复合，显著提高其催化性能。利用探针与待测物特异性结合构成三明治结构的比色生物传感器，用于乳腺癌生物标志物BRCA 1基因突变、miR-21、MCF7细胞、ATP和乳腺癌相关mRNA进行检测，并对信号放大的机理进行了探讨。.3..研究结果及科学意义：.（1）合成了纳米金与石墨烯、黑磷烯、硒化铋纳米片等不同二维纳米材料构成的复合材料。利用TEM、UV、XRD、Raman、XPS等方法进行了表征。.（2）将巯基修饰的捕获探针和信号探针通过金硫键分别固定在镀金硅片和纳米金-2D纳米材料表面，通过待测物与探针的特异性结合构建三明治结构。利用纳米金复合材料对4-硝基苯酚还原反应的催化作用，溶液由黄色变为无色，提供可视信号构建比色生物传感器。用该传感器对乳腺癌生物标志物分别进行了检测，反应动力学常数与待测物浓度正相关。针对乳腺癌相关基因突变BRCA1的DNA片段检测下限可达10-18 M；对miR-21的检测下限为10-12 M；对MCF7细胞的检测下限为1000细胞mL-1；对mRNA的检测下限为10 ng μL-1；对ATP的检测下限为10-7 M。以上检测均具有良好的特异性。.（3）对比色传感器信号放大机理进行研究，发现纳米金可以把检测信号放大102倍，氧化石墨烯-纳米金可以进一步把信号放大104倍，黑磷烯-纳米金可以将信号放大107倍，而硒化铋-纳米金可以放大信号1010倍。硒化铋不仅为纳米金提供载体，而且为催化反应提供电子，因此显著提高了催化效率，使该比色生物传感器的灵敏度大幅度提高。本研究为疾病标志物的筛查提供了一种简易快速的新方法。