出品：科普中国
制作：蒋依婷(苏州医工所)
监制：中国科学院计算机网络信息中心
近期，中科院苏州医工所缪鹏课题组提出基于纳米荧光调控的比率miRNA传感策略来检测早期肿瘤标志物。在体系中添加荧光探针，如果目标miRNA存在，原有的红色荧光会变成黄色荧光，能较早较准确地检测出潜在肿瘤风险。相应的研究成果已发表在期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》上。
图片来源：ELSEVIER
癌症很可怕，能不能将它扼杀在“襁褓”中？
2019年1月，国家癌症中心发布了最新一期的全国癌症统计数据。与历史数据相比，癌症负担呈持续上升态势。近10多年来，恶性肿瘤发病率每年保持约3.9%的增幅，死亡率每年保持约2.5%的增幅。其中，肺癌占男性癌症发病率首位，乳腺癌占女性癌症发病率首位。随着社会的发展，女性的肺癌发病率和乳腺癌发病率较以前显著提高，宫颈癌等妇科肿瘤的发病率明显下降，目前结肠癌和直肠癌的发病率较之前有所提升。
癌症早期诊断是一种专门针对癌症早期患者的诊疗方法，其目的在于早发现早治疗，从而减轻患者的痛苦和精神、经济负担。乳腺癌早期治疗10年生存率可达90%以上，而晚期乳腺癌的10年生存率不到30%甚至更低。早期癌症病人治疗后，不仅提高了病人的生存率，病人的生存质量也得到了提高，所以控制癌症，早期诊断很重要。
图片来源：Veer图库
如何检测癌症早期症状？
不同的癌症，早期诊断方法有差异。食管癌早期诊断的最有效方法是胃镜检查，通过胃镜、超声内镜，可以很直观的看食管的病变部位、病变范围，从而诊断食管癌。肝癌可以通过检测肿瘤标记物血清甲胎蛋白(AFP)含量进行早期诊断。由于早期诊断率明显提高，手术切除率会随之提高，根据经验预测的疾病后果亦获得明显改善。
肿瘤标记物的检测主要是针对于肿瘤生长过程当中产生的小分子物质，如果浓度异常升高，则高度提示肿瘤存在的可能。在检测过程中，即使诊断出肿瘤标记物含量结果偏高也需要进一步的完善影像学等方面的检查，才能明确是否存在肿瘤。
单纯的肿瘤标记物检测升高不一定就是肿瘤，还可能受到其他因素的影响，肿瘤标记物的检测一般需要抽血进行相关指标的检查。传统检测方法是通过免疫学检测来定量检测血清中的肿瘤标志物。放射免疫分析(RIA)是利用同位素标记的与未标记的抗原同抗体发生竞争性抑制反应的放射性同位素体外微量分析方法，该方法灵敏度高、特异好，但有时会出现交叉反应、假阳性反应，组织样品处理不够迅速等。酶联免疫吸附测定法(ELISA)是一种检测体液中微量物质的固相免疫测定方法，其核心就是让抗体与酶复合物结合，然后通过显色来检测，该方法检测速度快、费用低廉、仪器简单易携，但操作过程有些繁琐，特异性和灵敏性有待提高。化学发光免疫分析(CLIA)是在以上两种方法的基础上改进的一种新方法，将具有高灵敏度的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合，无放射性和致畸物质，兼具以上两种方法的优点，且产品有效期长、对环境无污染、对人体无毒无害，是目前体外诊断试剂检测方法中的佼佼者，在技术上具有明显的优势。
中科院苏州医工所这次提出的新型荧光检测方法不仅能保证高灵敏度的检测，还可用于miRNA在细胞内的原位成像。实验结果表明，该方法的线性检测范围为10-11到10-8 M，最低检测限浓度为2.8 pM。该方法与其他检测方法相比具有更快速、灵敏的优势，当血清样本中目标miRNA浓度很低时也可以被快速检测到。
图片来源：Veer图库
检测早期肿瘤用miRNA有什么优势？
微小核糖核酸(miRNA)是一类非编码小分子RNA，是基因表达的关键调节因子。越来越多的报道指出miRNA在调节细胞分化、增殖和凋亡中起到关键作用，其异常表达往往发生在病理细胞中。此外，由于miRNA与其他长链RNA相比非常稳定，容易识别。因此它们被认为是诊断多种疾病的理想标志物。但是miRNA的相关特性如分子量小，表达量低和序列同源性高等，对高灵敏定量分析带来巨大挑战。
此次提出的新型荧光检测方法利用了变色银纳米簇的荧光特性，可以通过发夹结构DNA序列的打开或关闭而产生颜色变化，将信号生成与放大组合为一个步骤，极大地简化了程序并缩短了检测时间。所合成的银纳米簇是以DNA为模板，具有较高的荧光量子产率，光稳定性，可调荧光发射和良好的生物相容性等，有望广泛应用于光学传感和生物医学成像。
具体是如何检测的？
该策略的检测原理如下图所示，发夹结构信号探针上形成的银纳米簇显示红色发射光，使用发夹结构的捕获探针和辅助探针在一定的杂交反应后进行靶标识别和信号放大，分离信号探针的A20NC和T20NC区域可以实现颜色由红变黄的变化。颜色变化代表有靶标miRNA序列的存在，打开的信号探针可以进一步用于与另一个辅助探针杂交，并启动杂交链反应，这有助于提高检测的灵敏度。
我们可以把信号探针看做交警，把捕获探针看做路上的违章拍照探头，辅助探针当做辅警。当不同的车辆(miRNA)通过路口时，正常车辆通过不会有违章拍照;而当有违章车辆(靶标miRNA)通过时会被违章拍照探头捕获，从而引起交警和辅警的注意并作出相应的处理(颜色变化)。
基于变色银纳米簇和杂交链式反应的比率传感器传感原理示意图
图片来源：ELSEVIER
该成果在针对病人的实际样本检测中，首先进行病人血样的采集，并进行血清的简单分离和稀释，然后直接将本方法中使用的几种序列按比例混合，孵育反应一段时间后，在不同激发波长下进行荧光光谱的采集。随后分析数据，使用比率型指标对特定miRNA进行定量分析，如果特定miRNA含量越高，则可能患癌症的概率也越大。
该方法提供了一个通用的检测平台，同样适用于其他癌症的早期检测。可以根据不同癌症存在的特异性miRNA序列设计相应的信号探针、捕捉探针与辅助探针完成检测平台的构建，从而实现多种癌症早期检测的目的。
参考文献：
(1)Ying, Z. M.; Wu, Z.; Tu, B.; Tan, W. H.; Jiang, J. H. Genetically Encoded Fluorescent RNA Sensor for Ratiometric Imaging of MicroRNA in Living Tumor Cells. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9779-9782.
(2)Liu, Y.; Shen, T.; Li, J.; Gong, H.; Chen, C. Y.; Chen, x. M.; Cai, C. Q. Ratiometric Fluorescence Sensor for the MicroRNA Determination by Catalyzed Hairpin Assembly. ACS Sens. 2017, 2, 1430-1434.
(3)Zhu, X. Y.; Wang, R. Y.; Zhou, X. H.; Shi, H. C. Free-Energy-Driven Lock/Open Assembly-Based Optical DNA Sensor for Cancer-Related microRNA Detection with a Shortened Time-to-Result. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 25789-25795.
(4) Liang, M. J.; Pan, M.; Hu, J. L.; Wang, F.; Liu, X. Q. Electrochemical Biosensor for MicroRNA Detection Based on Cascade Hybridization Chain Reaction. ChemElectroChem 2018, 5, 1380-1386.
(5) Yammouri, G.; Mandli, J.; Mohammadi, H.; Amine, A. Development of an Electrochemical Label-Free Biosensor for microRNA-125a Detection Using Pencil Graphite Electrode Modified with Different Carbon Nanomaterials. J. Electroanal. Chem. 2017, 806, 75-81.
(6) Lv, S. F.; Chen, F.; Chen, C. Y.; Chen, X. M.; Gong, H.; Cai, C. Q. A Novel CdTe Quantum Dots Probe Amplified Resonance Light Scattering Signals to Detect microRNA-122. Talanta 2017, 165, 659-663.
(7) Xu, S. H.; Nie, Y. Y.; Jiang, L. P.; Wang, J.; Xu, G. Y.; Wang, W.; Luo, X. L. Polydopamine Nanosphere/Gold Nanocluster (AuNC)-Based Nanoplatform for Dual Color Simultaneous Detection of Multiple Tumor-Related MicroRNAs with DNase-I-Assisted Target Recycling Amplification. Anal. Chem. 2018, 90, 4039-4045.
黄鹤楼动漫星空癌症早期症状mg科普知识动画制作：027-82730702；82720703 移动/微信：139-9566-0877 企鹅QQ：76211136
推荐阅读：
鄂公网安备：