《Nature Chemistry》：电化学方法检测癌症基因突变

电化学传感器能够在广泛的条件范围里同时多通道地检测多种低浓度待分析物。其检测目标通常不需要标记，样品的预处理过程大大简化，尤其当仅有少量样品的时候。而且，电信号数据容易被实时、迅速地收集，对操作人员的技术培训要求也不高。由于这些优点，电化学传感器已被视为下一代临床诊断技术的“希望之星”。

然而，尽管电化学传感器领域进步显著，这种技术在检测未经预处理的患者临床样本时，仍需面对相当挑战。

从癌症临床诊断的角度来看，无细胞核酸（cell-free nucleic acids, cfNAs），如cfDNA和cfRNA，是非常理想的电化学方法检测目标。肿瘤衍生的cfNAs可以显示特异性突变，在癌症患者的血液里自由循环（虽然其浓度非常低），成为检测疾病的存在和发展的理想标记。因此，直接从患者的血清中检测相关突变的cfNAs可以有效地作为“液体活检”方法，可以提供与传统的侵入性活组织检查类似的信息。然而，当前可用的cfNAs分析方法，如DNA测序（DNA sequencing）或聚合酶链反应（PCR）的速度、准确性和用户友好性，还不太适合未处理的临床样品。因此，作为可能克服传统方法缺点的替代方案，新的电化学cfNAs检测和分析平台有很好的发展机会。

在最近的《Nature Chemistry》上，加拿大多伦多大学的科学家Shana Kelley、Edward Sargent及其团队描述了一种“电化学钳测定法”来分析实验室和临床病人的cfNAs样本。该测定方法将“钳PCR”的策略与电化学传感器相结合，以获得对目标cfNAs的高度选择性。

在此之前，“钳PCR”技术已在实验室中被用于DNA突变检测。传统的PCR，难以区分并选择性扩增含有突变型和野生型的DNA样品中的低频突变。钳PCR引入肽核酸（PNA）“钳”，有利于突变DNA的选择性扩增。不过这种方法不太适合独立检测临床样品，如病人的血清，部分原因是由于背景杂质也会显著扩增，影响结果的准确性。

在这篇文章中，应用这种技术的典型装置是一种具有纳米结构的微电极，在其上连接与目标核酸序列互补的PNA探针，比如针对Kirsten大鼠肉瘤-2病毒（KRAS，与很多种癌症都相关）的基因。

接着，将这种传感器用于测量样品在电催化由Ru(NH₃)₆³⁺和Fe(CN)₆^3-组成的氧化还原对的反应电化学信号。首先使用无任何核酸分析物的样品作为对照样品。再将含有突变基因目标序列，结合非目标序列，以及各种非互补的突变体，还有野生型核酸的“钳”序列混合在一起。在该混合物中，“钳”序列与非互补核酸结合，只留下目标序列与微电极的PNA探针结合。最后，该传感器的电信号被再次测量，得到与对照样品信号的差异，以灵敏测量突变基因的存在。

电化学钳测定法中最引人注目的方面是它能够直接快速地在未经处理的临床样品中检测与肿瘤相关的突变cfNAs。在原理性实验中，微电极上可以连接不止一种PNA序列，可以设计多种探针与不同肿瘤关联的KRAS突变序列互补。这种方法确保了传感器可以检测几种不同的可能突变位点。这种传感器被用来直接检测来自肺癌患者的含有低浓度突变序列的血清样品。结果显示，即使样品没有经过任何前处理过程，这种电化学钳测定法也能够正确地把癌症患者的相关阳性突变与健康人或其他癌症患者的样本区分开来。

总体而言，此方法在血清样本检测中的表现令人印象深刻。该技术在cfNAs的检测方面有很多优势：首先，使用合理设计的PNA钳保证了高度的特异性；第二，仅需要少量物质和小体积样品（50微升）就可以进行分析；第三，灵敏度高，具有1飞克每微升的RNA检测下限；最后，该分析可以在短短5-15分钟产生结果。由于这些特点以及其可用于未经预处理样品，电化学钳测定法有望替代目前用于癌症诊断的传统DNA测序和PCR技术。

不过，这种方法在临床常规使用之前还有一些潜在的挑战，比如，所述测定需要精心设计的PNA钳序列的集合；在未纯化的血清（≤〜2 nA的）中的电化学信号的变化幅度都比较小；传感器的制造和附带的质量控制需要的光刻和电化学技术的组合。

总体而言，尽管存在一些可能的技术挑战，这种技术的前景仍然非常光明。人们可以设想该技术可用于一些疾病如胰腺癌的早期检测，以替代传统侵入性活检手段。

http://www.nature.com/nchem/journal/v7/n7/full/nchem.2270.html