液体活检中的重大突破：基于杂交技术的高动态范围传感器检测循环肿瘤DNA

引言

近年来，液体活检作为一种非侵入性癌症诊断方法，逐渐受到临床和科研界的广泛关注。液体活检通过分析血液中的循环肿瘤DNA（ctDNA），为癌症的早期诊断、监测和个性化治疗提供了新的途径。然而，ctDNA通常仅占总循环游离DNA（cfDNA）的一小部分，且与野生型DNA仅在一个核苷酸上有所不同，这对检测技术提出了极高的要求。本文将介绍一项最新研究成果——一种基于杂交技术的高动态范围传感器，它能够有效提高ctDNA突变检测的灵敏度和动态范围。

正文

杂交技术的挑战与解决方案

1. 杂交技术的背景

传统的杂交传感器依赖于DNA探针与目标序列之间的互补配对，但当突变序列与野生型序列仅有一个核苷酸差异时，交叉杂交会导致检测灵敏度下降。为了克服这一难题，研究人员引入了“野生型靶标耗竭”的概念。通过引入大量与野生型序列匹配的捕获探针，使得野生型DNA被大量结合，从而相对提高了突变DNA的比例，增强了检测信号。

2. 参考探针的设计

为了进一步提高检测的准确性，研究人员设计了一种参考探针（reference probe）。这种探针能够与野生型和突变型DNA均发生杂交，但其与野生型DNA的亲和力相同，从而提供了一个稳定的参照信号。通过比较突变探针和参考探针的荧光强度比值，可以得到一个稳健的突变检测信号。这种方法不仅提高了检测的灵敏度，还扩大了动态范围，使得低丰度突变也能被精确检测。

实验验证与临床应用

1. 实验材料与方法

研究人员使用了18个非小细胞肺癌（NSCLC）患者的cfDNA样本进行实验。这些样本经过实时定量PCR（qPCR）和数字PCR（dPCR）验证，部分样本含有EGFR T790M突变。通过微阵列技术，研究人员构建了两种类型的杂交传感器：一种包含野生型耗竭探针，另一种不包含。实验结果表明，野生型耗竭探针显著提高了突变检测的灵敏度，最低检测限（LoD）从0.60%降低到了0.048%。

2. 临床应用前景

该研究不仅验证了杂交传感器在实验室条件下的有效性，还在临床样本中进行了测试。结果显示，杂交传感器与qPCR和dPCR的结果高度一致，特别是在低突变比例样本中表现出更高的灵敏度。例如，某些在qPCR中未检测到突变的样本，通过杂交传感器成功检测到了低丰度的突变。这表明该技术具有重要的临床应用潜力，尤其适用于早期癌症诊断和治疗监测。

扩展模型与未来展望

1. 模型扩展

为了更准确地描述高突变比例样本中的信号变化，研究人员对热力学模型进行了扩展。传统模型假设突变型DNA与参考探针的相互作用可以忽略不计，但在高突变比例下，这种假设不再成立。通过引入一个新的自由能参数ΔΔGₚₜ，研究人员成功解决了这一问题，使得模型能够准确描述高突变比例样本中的信号变化。扩展后的模型不仅提高了检测的准确性，还揭示了未来参考探针设计的新思路。

2. 未来展望

这项研究表明，基于杂交技术的高动态范围传感器在液体活检领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索多核苷酸变异的并行检测，开发更加高效的捕获探针和参考探针，提升检测速度和通量。此外，该技术还可以应用于其他类型的液体活检样本，如尿液和脑脊液，为更多疾病的早期诊断提供有力支持。

结论

综上所述，基于杂交技术的高动态范围传感器为液体活检提供了一种创新的解决方案。通过引入野生型耗竭探针和参考探针，该传感器显著提高了ctDNA突变检测的灵敏度和动态范围，为早期癌症诊断和个性化治疗带来了新的希望。未来的研究将进一步优化该技术，拓展其应用场景，推动液体活检技术的发展，造福更多患者。

参考文献

Stulens, Y., Van Hoof, R., Hollanders, K., Nelissen, I., Szymonik, M., Wagner, P., Froyen, G., Maes, B., Hooyberghs, J. (2025). Hybridization-based sensor with large dynamic range for detection of circulating tumor DNA in clinical samples. Biosensors and Bioelectronics, 281, 117342.

Fig. 1.基于杂交法的突变检测分析的概述

Fig. 2. 杂交方法中耗尽的概念