杜克大学的生物医学工程师设计了一种方法，可以同时检测从组织样本中提取的RNA中多个特定microrna的存在，而无需标记或目标扩增。这项技术可以用来识别癌症和其他疾病的早期生物标志物，而不需要当前技术所需要的复杂、耗时、昂贵的过程和特殊的实验室设备。
研究结果发表在5月4日的《分析师》杂志上。
microrna是一种短RNA分子，它与信使RNA结合，阻止信使RNA向人体蛋白质制造机器传递指令。这可以有效地沉默DNA的某些部分或调节基因表达，从而改变某些生物功能的行为。在人体中已经发现了2000多种影响发育、分化、生长和代谢的microrna。
随着研究人员对这些微小的基因包的发现和更多的了解，许多microrna与生物功能的失调有关，导致从脑肿瘤到阿尔茨海默病的各种疾病。这些发现使得人们对使用microrna作为疾病生物标志物和治疗靶点越来越感兴趣。由于人体样本中存在的mirna数量非常少，传统的研究方法需要基因扩增过程，如定量反转录PCR (qRT-PCR)和RNA测序。
虽然这些技术在设备齐全的实验室和耗时数月或数年的研究中表现出色，但它们不太适合在诊所或野外快速诊断结果。为了弥补这种适用性上的差距，Vo-Dinh和他的同事们正在转向镀银的金纳米星。
“金纳米恒星有多个尖峰，可以作为增强电磁波的照明棒，这是粒子形状的一个独特特征，”同时在杜克大学化学系任职的Vo-Dinh说。“我们的微型纳米传感器，称为‘逆分子哨兵’，利用这种能力来产生多个microrna存在的清晰信号。”
虽然这个名字有点拗口，但纳米传感器设计的基本思想是，当一段特定的目标RNA被识别和捕获时，让一个标签分子移动到离恒星尖刺非常近的地方。当激光照射到被触发的传感器上时，纳米星尖端的避雷针效应会使标签分子发出极其明亮的光，发出捕获目标RNA的信号。
研究人员通过将一个标记分子与一段DNA连接在纳米星的一个点上来设置这个触发器。虽然它被构建成一个卷在自己身上的环，但DNA是由一个RNA“间隔器”保持开放的，该“间隔器”是为与被测试的目标微RNA结合而定制的。当microRNA经过时，它会附着并移除间隔物，使DNA卷曲成一个环，并使标记分子与纳米星紧密接触。
在激光激发下，标签会发出一种叫做拉曼信号的光，这种光通常非常微弱。但是纳米星的形状——以及由金纳米星和银涂层引起的单独反应的耦合效应——将拉曼信号放大了数百万倍，使它们更容易被探测到。
“标签分子的拉曼信号表现出非常特殊的颜色的尖峰，就像光谱指纹，这使得它们在检测时很容易区分开来，”Vo-Dinh说。“因此，我们实际上可以为纳米星上不同的微rna设计不同的传感器，每个标签分子都显示出自己特定的光谱指纹。由于信号非常强，我们可以独立地检测到这些指纹中的每一个。”
在这项临床研究中，Vo-Dinh和这个团队与杜克癌症研究所的医学副教授Katherine Garman和同事合作，使用新的纳米传感器平台来证明他们可以检测到miR-21，一种与食管癌早期阶段相关的特定microRNA，以及其他更复杂的最先进的方法。在这种情况下，仅使用miR-21就足以区分健康组织样本和癌变样本。然而，对于其他疾病，可能需要检测其他几种microrna才能获得可靠的诊断，这正是研究人员对他们的逆分子哨兵纳米生物传感器的普遍适用性感到如此兴奋的原因。
Vo-Dinh说:“通常三到四种遗传生物标记物可能足以得到良好的诊断，这些类型的生物标记物可以准确地识别每种疾病。”“这就是为什么我们的纳米星不需要耗时的目标放大就能产生如此强的信号，这让我们感到鼓舞。”我们的方法可以提供一种替代组织病理学和PCR的诊断方法，从而简化癌症诊断的测试过程。”
三年多来，Vo-Dinh一直与他的同事和杜克大学的许可和风险投资办公室合作，为他基于纳米星的生物传感器申请专利。随着这项专利最近被授予，研究人员兴奋地开始测试他们的技术能力的极限，并探索与私营部门转让技术的可能性。
“在这些令人鼓舞的结果之后，我们现在非常兴奋地将这项技术应用于美国国立卫生研究院资助的一个新项目中，直接从血液样本中检测结肠癌，”Vo-Dinh说。“在肿瘤形成之前直接在血液中检测癌症的早期生物标志物是非常具有挑战性的，但我们对此抱有很高的希望。”
