吕弋、刘睿：基于DNA分子机器的多组份肺癌标志物分析
虎年开春之际！四川大学吕弋、刘睿团队：基于DNA分子机器的多组分肺癌标志物分析取得进展。
学者简介
刘 睿
四川大学化学学院教授、博士生导师。
吕 弋
四川大学分析测试中心主任、教授、博士生导师。
分子机器与细胞中大多数运动相关，比如在肌动蛋白丝上移动的肌球蛋白，以及微管上的动力蛋白和驱动蛋白等。近年来，研究者们构建了许多基于熵驱动或烧桥机制的仿生DNA步行机器。这些DNA步行机器被目标物激活，自主地沿着一维(1D)、二维(2D)或三维(3D)轨道运行，实现了多个信号的输出。因此，DNA步行机器被认为是一种高效的信号放大工具。尽管研究者们设计了各种各样的DNA步行机器用于检测癌症标志物，但关于多组分DNA分子机器的报道仍然非常稀少。癌症标志物的多组分检测具有重大的意义，因为一种广谱性标志物可与多种癌症相关，一种癌症也可拥有多种标志物。多组分检测不仅可以节约珍贵的生物样品，而且可以提高疾病诊断的特异性。
针对这一多组分癌症标志物检测的挑战，四川大学吕弋教授及刘睿教授团队设计了一种多组分DNA分子机器，结合电感耦合等离子体质谱仪（Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICPMS）准确性好、分辨率高和多元素同时分析的特点，实现了对多个肺癌相关miRNA的同时检测。该成果详见Analytical Chemistry 2022年1月发表的“Multiplex DNA Walking Machine for Lung Cancer-associated miRNAs”。文章的第一作者是四川大学博士研究生王超群。
▼图1 DNA分子机器各个模块与DNA分子机器用于多组分miRNA检测的示意图
来源：Analytical Chemistry
该DNA分子机器由磁珠、DNA核酶、锁定链和轨道链四个部分组成。其中，磁珠，作为构建DNA轨道的载体；DNA核酶，作为步行链在Mn离子的作用下切割轨道链；锁定链，作为封闭链使DNA分子机器在目标链不存在时保持静止状态；轨道链，作为底物具有不同的镧系元素修饰用于产生对应的ICPMS信号。在不存在目标miRNA时，DNA分子机器被锁定而处于静止状态，不会释放镧系元素（Tm，Tb，Ho）；而当目标miRNA存在时，设计的DNA分子机器被正交激活，释放出大量的对应镧系元素。多种镧系元素产生的信号被高分辨无机质谱（HR-ICPMS）同时采集，且镧系元素的ICPMS信号强度与目标miRNA的浓度在一定范围内呈现良好的线性关系，因此可实现对多个miRNA同时准确的检测。
作者研究了DNA分子机器用于miRNA检测的可行性，结果如下图所示，当反应体系中缺少DNA核酶、Mn离子或目标物时，DNA分子机器均不会运行。只有完整的DNA分子机器，在目标物存在下，通过Mn离子的协同作用，才可以正常运转产生信号。
▼图2 DNA 分子机器用于miRNA检测的可行性研究
来源：Analytical Chemistry
本方法具有对三组分癌症标志物同时定量的能力，对三种与肺癌相关的miRNA目标物同时检测的分析性能见下图。
▼图3 DNA分子机器对miR-21，miR-141与miR-125的检测范围与线性
来源：Analytical Chemistry
为评估方法的应用潜力，作者还对人肺腺癌细胞系A549和正常细胞系HBE的RNA提取液进行了检测，展现出了对复杂生物样本检测方面的应用价值。此外，该DNA分子机器采用模块化设计，通过简单的改变相应模块，即可实现对不同miRNA的检测，满足不同组合的检测需求，具有临床应用的潜力。
▼图4 DNA分子机器采集的人肺腺癌细胞系A549和正常细胞系HBE中miR-125b、miR-141和miR-21的相对强度
来源：Analytical Chemistry
近年来，该课题组已开发了一系列基于稳定同位素检测的生物分析方法，用于构建高灵敏度和高准确度的生物传感平台（Anal. Chem. 2021, 93, 13719-13726； Anal. Chem. 2021, 93, 37, 12714-12722； Chem. Commun., 2021, 57, 10423-10426； Anal. Chem. 2020, 92, 24, 16105-16112； Anal. Chem. 2020, 92, 3, 2876-2881； Anal. Chem. 2019, 91, 10870-10878； Chem. Commun. 2019, 55, 10665-10668； Anal. Chem. 2019, 13, 8691-8696； Chem. Eur. J. 2019, 25, 12270-1227； Anal. Chem. 2018, 90, 14469-14474； Chem. Commun. 2018, 54, 13782-13785； J. Anal. At. Spectrum. 2018, 1, 57-67）。
