化学所在纳米孔单分子技术检测生物标志物方面取得系列进展

纳米孔单分子技术起源于20世纪90年代，其基本原理是待测分子与纳米孔发生相互作用，进而调制流经纳米孔的离子电流强度，产生指纹特征电流信号。人们由这些特征电流信号可以推测待测分子的构象、尺寸、电荷状态等信息。目前纳米孔单分子技术在DNA测序、单分子反应机理研究、生化分析检测等领域扮演了重要的角色。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中科院活体分析化学实验室的吴海臣课题组在以DNA分子为探针的纳米孔分析新方法研究中取得了一系列重要的进展，包括重金属离子的检测（J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 18312; Anal. Chem., 2013, 85, 7302）、蛋白质大分子和有机小分子的检测（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 7568）以及DNA表观遗传修饰和DNA损伤检测等（Chem. Sci., 2015, 6, 5628; Nat. Commun., 2013, 4, 2989; Anal. Chem., 2016, 88, 1073）。

在上述研究的基础上，该课题组利用DNA探针分子和DNA识别单元共同构建了一系列针对不同底物的三链DNA纳米开关。底物选择性地与纳米开关结合后可释放探针分子，该探针分子穿越α-溶血素纳米孔时可产生特征电流信号，用于底物分子的定量检测（图1）。基于此原理，人们可对DNA、抗体、蛋白质等多种生物标志物进行高灵敏度、高选择性分析，相关结果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3602）。

图1. 三链DNA纳米开关结合纳米孔技术用于生物标志物的高灵敏度检测

此外，该课题组通过调节DNA探针分子上修饰基团的位置，构建了5种能够产生不同特征信号的编码分子。结合免疫分析技术，他们发展了能够在同一血液样品中同时检测5种癌症抗原的方法。由于每种编码分子产生的特征信号各不相同，5种癌症标志物的检测互不干扰，可实现快速、同时的定量检测（图2）。相关结果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201803324）。

图2. 纳米孔技术结合免疫分析用于5种癌症抗原的同时检测

将以上两种策略结合，该课题组还开展了另一类生物标志物microRNA的检测研究。三链DNA纳米开关对只含一个碱基突变的同族microRNA具有很好的选择性，对于肺癌标志物let-7家族的7a-7g均能实现特异性检测。另外，结合DNA编码分子技术，该课题组还针对let-7a-c开展了同时检测研究，结果表明在混合样本中三链DNA探针对目标microRNA的选择性和灵敏度均不受干扰，可对混合体系中的microRNA进行同时定量分析（图3）。以上结果发表于Chem. Commun.（Chem. Commun., 2018, 54, 7673, DOI: 10.1039/C8CC03574A）。

图3. 纳米孔技术用于同族microRNA的同时定量检测

随着小型化纳米孔分析仪的出现，以上检测策略有望使纳米孔技术进一步应用于临床实际样本的分析检测中，且基于便携、响应快、成本低的特点，有望成为新一代临床检测（point-of-care tesing）的利器。