超前科技来袭：DNA步行器开启癌症检测新纪元

miRNA是细胞内一类关键的基因调控分子，它们通过精确控制基因表达来影响细胞功能和生物体的生理过程。10月7日，2024年诺贝尔生理学或医学奖新鲜出炉，美国科学家Victor Ambros和Gary Ruvkun因发现miRNA及其在转录后基因调控中的作用而获奖。诺贝尔奖的颁发进一步凸显了miRNA在医学研究中的重要性，表彰了其在调控基因表达、参与疾病发生以及作为潜在治疗靶点方面的革命性发现。这些研究不仅深化了我们对生命科学的理解，还为癌症、心血管疾病等复杂疾病的诊断及治疗提供了新思路、新方法、新希望。

其中miRNA-221作为一种特定的微小RNA，与肝癌的发生发展密切相关。通过开发高灵敏度的检测方法来监测miRNA-221的水平，可以帮助医生更早地诊断肝癌，从而提高治疗效果和患者的生存率。西南大学的Ya-Qin Chai和Ruo Yuan等，就miRNA-221的检测开发了一种基于双环DNA步行器（dual-circle DNA walker-mediated）的电化学传感器，并于Biosensors and Bioelectronics上发表，让我们一起来看一下这项成果。

（一）原理剖析

首先，由三条DNA 链（Y1、Y2、Y3）自组装形成 Y形DNA支架，这种结构可以使之可以携带更多的信标材料二茂铁（Ferrocene），同时Y3链连接有巯基（SH），可以跟玻碳电极表面的金颗粒结合，从而达到组装的目的。

然后，C1和C2两个DNA链通过退火形成部分双圈结构，在保护链（P）和T4 DNA连接酶的帮助下形成完整的双圈结构。其中P链的作用是防止在形成双圈结构过程中不必要的DNA链的打开，T4 DNA连接酶则负责将C1和C2的末端连接起来，形成稳定的双链互锁结构（DCDW）。

当目标miRNA-221（T链）存在时，它可以与DCDW上的保护链（P链）互补配对，形成P-T双链，从而激活DCDW，而DNA燃料（F链）可以与P-T双链进一步杂交，形成P-F双链，这导致T链被释放并可以开始下一轮的激活和行走过程。故此，这个过程可以循环进行，少量的目标miRNA-221可以激活大量的DCDW，从而实现信号的放大。

激活的DCDW开始在电极表面行走，识别并与Y形支架上的特定序列发生互补配对，同时导致Y形支架的结构发生变化。这种结构变化使得原本固定在支架上的Fc分子从电极表面释放到溶液中，从而导致电极表面的电化学活性降低，因为Fc分子不再能够参与电极表面的氧化还原反应。这种电化学信号的变化可以通过伏安法（如循环伏安法或方波伏安法）进行检测，从而实现对目标miRNA-221的定量分析。

（二）效果评估

A. 响应时间

上图分别反映了几种传感器（a–d分别为：DCDW, double-site DCDW, single-circle DW, single-strand DW）对1 nM miRNA-221生物传感器的SWV响应和反应速率。可以看出，与传统DNA步行者相比，DCDW能在15分钟内完成对miRNA-221的检测，这比传统方法快了至少8倍。

B. 检出限、检测范围

SWV法的峰值电流随着靶标浓度的不断升高而降低，并且B图可以看出峰值电流与靶标浓度（10 aM- 1 nM）存在良好的线性关系，同时根据3σ准则计算得到，检出限可达1.9 aM。

C. 特异性

研究人员还对不同的miRNA进行了检测，如图所示，其中(a) miRNA-221, (b) miRNA-21, (c) miRNA-155, (d) miRNA-141, (e) blank sample, (f) mixed sample，可以看出（a）和（f）的信号接近，而其他几组检测信号很弱（与a组和f组存在显著性差异[p<0.001]），说明该传感器具有良好的特异性，并且在混合物中体现了良好的检测效果。

这项研究开发的基于DCDW电化学生物传感器在快速、灵敏、宽检测范围、高重复性和稳定性、高特异性等方面表现出色，为miRNA的检测提供了一种高效的方法。这些特性使得该传感器在生物医学研究和临床诊断中具有重要的应用价值。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116719