15分钟诊断乳腺癌基因！2 nm“金”桥革新基因检测！
以乳腺癌基因诊断为代表，单点突变的识别诊断意义重大！
在医学检测中，乳腺癌的基因诊断变得愈发重要。中国乳腺癌发病率的增速是全球平均增速的两倍，发病率列世界第一；乳腺癌发病和死亡分别位居我国女性恶性肿瘤发病和死亡的第1位和第5位。在世界范围内，女性乳腺癌的发病率仅次于肺癌，而带有突变基因的人群要比普通人群的患病风险高出59-87%。
导致乳腺癌的BRCA1基因突变因种族和地域而异，有几百上千种。以往的诊断方法是提取整个基因组并对BRCA1进行全段测序，再与正常基因对比，分析突变位点。在这些基因突变中，有些并不会导致癌变，世界范围内，最为普遍、风险最高的BRCA1突变有8种。
精确设计指导合成纳米检测试剂颇有难度
金纳米材料具有独特的稳定性和生物相容性，因此常作为基底材料被用于生物医学传感和成像。虽然金纳米颗粒有很多结构，但这些结构都是采用试错法不断积累经验而获得，目前无法合成预先设计的指定结构。
结构决定性质，医学传感对灵敏性的特殊要求促使研究人员不断更新纳米技术，优化纳米结构，力求实现对少量生物分子、甚至于单分子的识别和检测。尤其重要的是，基因中单个碱基的突变（单点突变）很难被发现，目前常用的基于PCR的测序方法无法满足生物传感技术对实时高效的要求，对特定疾病的诊断也缺乏针对性。
马兴毅团队通过生命物质来解决无机纳米的问题
在生命体中，DNA指导合成蛋白质。2016年，韩国高丽大学融合化工系统研究所研究教授马兴毅首次提出，可将DNA分子作为骨架，指导金纳米颗粒的合成。2019年，马兴毅及其团队联合首尔国立大学和美国科罗拉多大学利用DNA分子调控合成出结构预先设计的高灵敏金纳米颗粒，实现了对乳腺癌相关基因中单点突变的识别诊断。
研究亮点：
1. 发明了利用DNA分子设计性合成(Synthesis-with-design)金纳米颗粒的方法。
2. 合成出带有2纳米桥结构的新型金颗粒，具有极高传感灵敏度，最少可识别4个蛋白质分子与被测基因的结合。利用单个颗粒，实时、无标记地对基因中1个位点的突变进行检测。
3. 首次以线图集的形式描绘人类基因错配修复蛋白MutS对单碱基突变的识别能力及其差异(GT>GG>+C>AA>TC>−C>AC>GA)，推出新的基因诊断方法（无需测序）。
4. 设计制造出8个基因芯片，可分析诊断与乳腺癌关系最为密切的8类基因单点突变。
要点1. 设计性合成技术：如何获得极灵敏的金纳米颗粒？
研究团队将单个DNA分子作为骨架，介导金纳米颗粒的合成，相关成果在2016年发表于Nature Communications（见下图和参考文献2）。团队设计DNA分子的结构，进而实现对金纳米结构的调控，控制精度在5纳米以下，整个合成过程在水溶液中进行，所合成的颗粒可直接用于生物医学工程。
图1. 金纳米颗粒的设计性合成。
要点2. 单颗粒传感技术：如何达到少数几个生物分子的检测限？
传统的传感技术所使用的宏观或微观尺度的基底材料无法对低浓度的被检测物质做出反应，而且，检测操作需要进行材料修饰、阻止非特异性结合、去除杂质、收集信号等，步骤越多，越容易导致可信度降低、不稳定性增大、检测限提高。目前，极少的传感技术可以实现对少数几个生物分子的实时检测。
为此，团队将金纳米颗粒作为传感材料，并将整个传感尺度缩小到一个颗粒上。对于该30纳米左右的传感颗粒，生物分子在尺度上不再微不足道，每个分子在颗粒上的结合都会显著的影响传感信号；甚至，分子间的结合力、分子间距等极微观的信息也可实时读取（下图）。
图2. 单颗粒传感系统。
重要的是，整个传感操作不须使用任何原有生理反应以外的辅助分子，不聚集热量而破坏生物分子，亦不引入电场或磁场影响原有生物反应。在传感可靠性和灵敏性方面可以与单颗粒纳米传感技术相媲美的是原子力显微技术，然而，原子力显微技术需要自定义分析区域，所得到的数据无法进行标准化，从而无法用于临床实践。
要点3. 实际意义：基因突变的诊断无需测序，乳腺癌的基因检测获革新
团队使用所合成的金桥纳米颗粒作为基底材料，针对这8种突变，分别设计构建了8款单颗粒传感芯片。将被检测样品注入芯片，传感平台可实时读取分析结果，无需测序即可判断出突变类型。
本研究已对不同的突变位点的识别结果进行标准化，绘制出不同的单点突变的检测数据图集，据此分析诊断了乳腺癌和卵巢癌细胞株内的相关基因突变并获得临床验证。具有重要应用意义的是，整个传感操作只需要30微升样品，不需特殊的辅助物质、标记分子或复杂的溶液，检测时间仅需15分钟，可读出5个被测基因与4个错配识别分子相互结合后的差异性信号。
图3. 乳腺癌的基因诊断：5382insC芯片对样品做出信号响应，表示样品的基因中多出一个胞嘧啶。
小结
工程师首先是设计师，将设计变为现实，是工程师倾心而为的关键。设计几个纳米的、用于传感的、极其灵敏的结构，并将其变为单颗粒的金，实现对单点基因突变的高效检测，是马兴毅及其所在团队在这项工作中实现的突破。
参考文献：
[1] Ma X, et. al. Single gold-bridged nanoprobes for identification of single point DNA mutations. Nature Communications, 2019.
DOI:10.1038/s41467-019-08769-y
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08769-y
[2] Ma X, et. al. Gold nanocrystals with DNA-directed morphologies. Nature Communications, 2016.
DOI:10.1038/ncomms12873
https://www.nature.com/articles/ncomms12873
