15分鐘診斷乳腺癌基因！2nm“金”橋革新基因檢測！

以乳腺癌基因診斷為代表，單點突變的識別診斷意義重大！

　　在醫學檢測中，乳腺癌的基因診斷變得愈發重要。中國乳腺癌發病率的增速是全球平均增速的兩倍，發病率列世界第一；乳腺癌發病和死亡分別位居我國女性惡性腫瘤發病和死亡的第1位和第5位。在世界范圍內，女性乳腺癌的發病率僅次于肺癌，而帶有突變基因的人群要比普通人群的患病風險高出59-87%。

　　導致乳腺癌的BRCA1基因突變因種族和地域而異，有幾百上千種。以往的診斷方法是提取整個基因組并對BRCA1進行全段測序，再與正常基因對比，分析突變位點。在這些基因突變中，有些并不會導致癌變，世界范圍內，最為普遍、風險最高的BRCA1突變有8種。

精確設計指導合成納米檢測試劑頗有難度

　　金納米材料具有獨特的穩定性和生物相容性，因此常作為基底材料被用于生物醫學傳感和成像。雖然金納米顆粒有很多結構，但這些結構都是采用試錯法不斷積累經驗而獲得，目前無法合成預先設計的指定結構。

　　結構決定性質，醫學傳感對靈敏性的特殊要求促使研究人員不斷更新納米技術，優化納米結構，力求實現對少量生物分子、甚至于單分子的識別和檢測。尤其重要的是，基因中單個堿基的突變（單點突變）很難被發現，目前常用的基于PCR的測序方法無法滿足生物傳感技術對實時高效的要求，對特定疾病的診斷也缺乏針對性。

馬興毅團隊通過生命物質來解決無機納米的問題

　　在生命體中，DNA指導合成蛋白質。2016年，韓國高麗大學融合化工系統研究所研究教授馬興毅首次提出，可將DNA分子作為骨架，指導金納米顆粒的合成。2019年，馬興毅及其團隊聯合首爾國立大學和美國科羅拉多大學利用DNA分子調控合成出結構預先設計的高靈敏金納米顆粒，實現了對乳腺癌相關基因中單點突變的識別診斷。

　　研究亮點：

　　1. 發明了利用DNA分子設計性合成(Synthesis-with-design)金納米顆粒的方法。

　　2. 合成出帶有2納米橋結構的新型金顆粒，具有極高傳感靈敏度，最少可識別4個蛋白質分子與被測基因的結合。利用單個顆粒，實時、無標記地對基因中1個位點的突變進行檢測。

　　3. 首次以線圖集的形式描繪人類基因錯配修復蛋白MutS對單堿基突變的識別能力及其差異(GT>GG>+C>AA>TC>?C>AC>GA)，推出新的基因診斷方法（無需測序）。

　　4. 設計制造出8個基因芯片，可分析診斷與乳腺癌關系最為密切的8類基因單點突變。

要點1. 設計性合成技術：如何獲得極靈敏的金納米顆粒？

　　研究團隊將單個DNA分子作為骨架，介導金納米顆粒的合成，相關成果在2016年發表于Nature Communications（見下圖和參考文獻2）。團隊設計DNA分子的結構，進而實現對金納米結構的調控，控制精度在5納米以下，整個合成過程在水溶液中進行，所合成的顆粒可直接用于生物醫學工程。

圖1. 金納米顆粒的設計性合成。

要點2. 單顆粒傳感技術：如何達到少數幾個生物分子的檢測限？

　　傳統的傳感技術所使用的宏觀或微觀尺度的基底材料無法對低濃度的被檢測物質做出反應，而且，檢測操作需要進行材料修飾、阻止非特異性結合、去除雜質、收集信號等，步驟越多，越容易導致可信度降低、不穩定性增大、檢測限提高。目前，極少的傳感技術可以實現對少數幾個生物分子的實時檢測。

　　為此，團隊將金納米顆粒作為傳感材料，并將整個傳感尺度縮小到一個顆粒上。對于該30納米左右的傳感顆粒，生物分子在尺度上不再微不足道，每個分子在顆粒上的結合都會顯著的影響傳感信號；甚至，分子間的結合力、分子間距等極微觀的信息也可實時讀取（下圖）。

圖2. 單顆粒傳感系統。

　　重要的是，整個傳感操作不須使用任何原有生理反應以外的輔助分子，不聚集熱量而破壞生物分子，亦不引入電場或磁場影響原有生物反應。在傳感可靠性和靈敏性方面可以與單顆粒納米傳感技術相媲美的是原子力顯微技術，然而，原子力顯微技術需要自定義分析區域，所得到的數據無法進行標準化，從而無法用于臨床實踐。

要點3. 實際意義：基因突變的診斷無需測序，乳腺癌的基因檢測獲革新

　　團隊使用所合成的金橋納米顆粒作為基底材料，針對這8種突變，分別設計構建了8款單顆粒傳感芯片。將被檢測樣品注入芯片，傳感平臺可實時讀取分析結果，無需測序即可判斷出突變類型。

　　本研究已對不同的突變位點的識別結果進行標準化，繪制出不同的單點突變的檢測數據圖集，據此分析診斷了乳腺癌和卵巢癌細胞株內的相關基因突變并獲得臨床驗證。具有重要應用意義的是，整個傳感操作只需要30微升樣品，不需特殊的輔助物質、標記分子或復雜的溶液，檢測時間僅需15分鐘，可讀出5個被測基因與4個錯配識別分子相互結合后的差異性信號。

圖3. 乳腺癌的基因診斷：5382insC芯片對樣品做出信號響應，表示樣品的基因中多出一個胞嘧啶。

小結

　　工程師首先是設計師，將設計變為現實，是工程師傾心而為的關鍵。設計幾個納米的、用于傳感的、極其靈敏的結構，并將其變為單顆粒的金，實現對單點基因突變的高效檢測，是馬興毅及其所在團隊在這項工作中實現的突破。

　　參考文獻：

　　[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