CN105463077B - 一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器 - Google Patents

一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,所述生物传感器包括:固定在基因芯片上的靶标miRNA特异性捕获探针、miRNA特异性报告探针和纳米金探针以及信号增强液。本发明对临床样本的检测具有良好适用性,整个分析时间不超过1h,并且可以用肉眼观察反应结果;这种分析方法具有费用低、快速及便捷的优点,有望用于临床样本中miRNAs的超灵敏和可视化检测。

Description

一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生 物传感器
技术领域
本发明属于生物传感器领域,特别涉及一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器。
背景技术
MicroRNAs(miRNAs)是一类长度约21-25个核苷酸的内源性、高保守非编码小分子RNA,它们主要通过与靶mRNA的3’-UTR互补配对来调节基因的表达。MiRNAs表达水平的改变与多种疾病密切相关,尤其是肿瘤。MiRNAs的检测对于疾病的早期诊断以及发现药物新靶标具有重要作用。然而,由于miRNAs分子序列短小,在体液中丰度较低以及miRNA家族成员之间的同源性高,使得miRNAs的分析具有挑战性。Northern blotting是用于miRNAs检测的经典方法。然而,它具有灵敏度较低、操作繁琐和耗时的缺点,从而限制了在临床研究中的应用。实时定量PCR(Real-time PCR,RT-PCR)具有线性范围宽和灵敏度高的优点,但是它需要精确的温控条件,并且miRNAs的序列短小使得引物设计比较复杂。基于电化学的检测方法具有很高的灵敏度,但是这种方法很难实现多个miRNAs靶标的同时检测。因此,发展一种具有高灵敏、操作简单并且成本低的miRNAs检测方法十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,该生物传感器对临床样本的检测具有良好适用性,整个分析时间不超过1h,并且可以用肉眼观察反应结果;这种分析方法具有费用低、快速及便捷的优点,有望用于临床样本中miRNAs的超灵敏和可视化检测。
本发明的一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,所述生物传感器包括:固定在基因芯片上的靶标miRNA特异性捕获探针、miRNA特异性报告探针和纳米金探针以及信号增强液;其中,纳米金探针表面的检测探针序列为:
SH-TTTTTTTTTTGCACAGGAGCAACAG、SH-TTTTTTTTTTCTGTTGCTCCTGTGC中的一种或两种。
所述靶标miRNA特异性捕获探针的序列为:
miR-125a-5p捕获探针:NH2-TTTTTTTTTTTTTTTTTCACAGGTTAAA;
miR-126捕获探针:NH2-TTTTTTTTTTTTTTTTCGCATTATTAC。
所述靶标miRNA特异性报告探针的序列为:
miR-125a-5p报告探针:GGGTCTCAGGGA(T)15GTCGTCTGTTGCTCCTGTGC;
miR-126报告探针:TCACGGTACGA(T)15GTCGTCTGTTGCTCCTGT。
采用两种纳米金探针时浓度为0.134nmol/L和6.7nmol/L。
miRNA特异性报告探针的浓度为1nmol/L。
所述信号增强液为25mmol/L的MES缓冲液、30%的H2O2和100mmol/L的HAuCl4溶液按照体积比5:3:2混匀而得。
本发明提供了一种基于纳米金探针结合基因芯片用于miRNA检测的高灵敏度和便携式生物传感器,如图1所示。氨基修饰的核苷酸(捕获探针)通过希夫碱反应固定在醛基化的芯片上,接着,在反应体系中加入靶标miRNAs、报告探针和纳米金探针,它们可以通过碱基互补配对结合在芯片上。最后,加入由四氯金酸(tetrachloroauric(III)acid,HAuCl4)、过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)和2-吗啉乙磺酸(2-(N-Morpholino)ethanesulfonicacid,MES)组成的增强反应液,H2O2可以在MES缓冲液中还原HAuCl4为Au0。增强反应的过程可以视为一个自催化反应:纳米金作为成核位置催化金离子还原成为金原子,还原反应的产物沉积在芯片上,并且反应结果肉眼可见。
本发明利用单个纳米金探针结合基因芯片可以检测到10pmol/L的靶标miRNAs,测得miR-126在胎牛血清中的回收率为81.5%-109.1%,并用这种生物传感器检测肺癌组织样本总RNA中的miR-126,其结果与定量PCR具有一致性。双纳米金探针的使用进一步提高检测灵敏度,可以检测到1fmol/L的miR-125a-5p。
有益效果
本发明对临床样本的检测具有良好适用性,整个分析时间不超过1h,并且可以用肉眼观察反应结果;这种分析方法具有费用低、快速及便捷的优点,有望用于临床样本中miRNAs的超灵敏和可视化检测。
附图说明
图1为本发明基于纳米金探针结合基因芯片检测miRNAs示意图;
图2为本发明基于单纳米金探针结合基因芯片检测miR-125a-5p结果图;其中,A为miR-125a-5p浓度从100nmol/L-10pmol/L的检测结果图及空白对照;B为miR-125a-5p浓度与灰度值之间的关系图;
图3为本发明基于单纳米金探针结合基因芯片检测miR-126结果图;其中,A为miR-126浓度从100nmol/L-10pmol/L的检测结果图及空白对照;B为miR-126浓度与灰度值之间的关系图;
图4为本发明基于双纳米金探针结合基因芯片检测miR-125a-5p结果图;其中,A为miR-125a-5p浓度从100nmol/L-10pmol/L的检测结果图及空白对照;B为miR-125a-5p浓度与灰度值之间的关系图;
图5为本发明基于双纳米金探针结合基因芯片检测miR-125a-5p的探针优化测试结果图;其中,A为纳米金探针2,B为纳米金探针1,C为报告探针。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
1 材料与方法
1.1 试剂和仪器
四氯金酸三水合物(HAuCl4·3H2O)购自比利时Acros公司;2-吗啉乙磺酸(MES)购自美国Sigma公司;15nm的纳米金溶液购自上海水源生物公司;RNA酶抑制剂购自美国ABI公司.实验所需核苷酸均在Takara公司合成(表1)。所用试剂均为分析纯,实验用水为去离子水(电阻率大于18.3MΩcm-1)。
ProSys-5510型芯片点样仪(美国Cartesian Technology公司)用于将捕获探针点到芯片上;JascoV-670型紫外-可见光光谱仪(日本)用于测定紫外-可见吸收光谱;实验图片用连有DP-70数码相机和DP controller软件(日本Olympus公司)的BX51型倒置显微镜(日本Olympus公司)拍摄。
表1实验中所用序列
序列名称 序列(5’-3’)
miR-125a-5p捕获探针 NH<sub>2</sub>-TTTTTTTTTTTTTTTTTCACAGGTTAAA
miR-126捕获探针 NH<sub>2</sub>-TTTTTTTTTTTTTTTTCGCATTATTAC
miR-125a-5p报告探针 GGGTCTCAGGGA(T)<sub>15</sub>GTCGTCTGTTGCTCCTGTGC
miR-126报告探针 TCACGGTACGA(T)<sub>15</sub>GTCGTCTGTTGCTCCTGTGC
检测探针1 SH-TTTTTTTTTTGCACAGGAGCAACAG
检测探针2 SH-TTTTTTTTTTCTGTTGCTCCTGTGC
miR-125a-5p UCCCUGAGACCCUUUAACCUGUGA
miR-126 UCGUACCGUGAGUAAUAAUGCG
1.2纳米金探针的制备
纳米金粒子的形态用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy,TEM)进行观察。用0.2mol/L K2CO3将纳米金溶液的pH调至8.2-8.5。9000r/min,离心50min,弃上清,加入检测探针至其终浓度为3μmol/L,体系总体积为100μL。在4℃静置16h后,分3次加入磷酸盐缓冲液(phosphate buffer,PB;0.1mol/L,pH 7.2)和NaCl(1mol/L)至其终浓度分别为0.01mol/L和0.1mol/L,每次间隔1h。将溶液充分混匀后室温放置48h,用1ml0.01mol/L PB和0.1mol/L NaCl组成的缓冲液(pH 7.2)9000r/min离心50min清洗两次,弃上清,用100μL上述缓冲液重悬,4℃储存备用。制备的纳米金探针用紫外-可见光光谱仪和琼脂糖凝胶电泳进行验证。
1.3 基因芯片的制备
将终浓度为50μmol/L的捕获探针通过ProSys-5510型点样仪固定在醛基化修饰的芯片上,点样量为0.7nL,点直径为100μm,点间距为500μm。将芯片放在37℃固定48h,未结合的探针用去离子水冲洗,然后浸泡于40mmol/L的巯基琥珀酸溶液中30min以钝化其余结合位点。最后,以去离子水冲洗三次,4℃备用。
1.4 增强液的配制
将25mmol/L的MES缓冲液,30%的H2O2和100mmol/L的HAuCl4溶液按照体积比5:3:2的比例混匀以配制增强液。增强液应避光配制,并且现配现用。
1.5 RNA提取
使用TRIzol试剂(美国Invitrogen公司),根据说明书从8例肺癌组织样本中提取总RNA。利用超微量分光光度计(德国Berthold公司)测定RNA的浓度。
1.6 基因芯片检测miRNA
取2μL靶标miRNA和2μL报告探针,用杂交缓冲液(10mmol/L Tris-HCl,pH 7.2,1mol/L NaCl;预混有RNA酶抑制剂)将体系补足至30μL,混匀,均匀滴入芯片点阵区,室温下杂交30min。以0.2×SSC(含0.1%SDS)洗液清洗芯片3min,氮气吹干待用。取纳米金探针1和2各2μL,与杂交液混匀后滴入芯片点阵区,室温下杂交30min。将芯片用上述洗液清洗后,氮气吹干。在每个点阵加30μL增强液,避光反应5min后置于去离子水中以终止反应,显微镜下观察结果。
2 结果
2.1 基于单纳米金探针结合基因芯片检测miRNAs
首先利用一个纳米金探针(纳米金探针1)来检测miR-125a-5p和miR-126。根据朗伯比尔定律估算得到纳米金探针的浓度为13.4nmol/L,将纳米金探针1的浓度固定为13.4nmol/L,报告探针浓度固定为100nmol/L,对浓度100nmol/L-10pmol/L的靶标miRNAs进行检测,结果如图2和3所示。通过增强反应,肉眼可以看到灰色的点阵,并用显微镜观察记录结果。由图2A和3A可以看出,检测信号的强度与靶标miRNAs的浓度具有一致性。图2B和3B表明灰度值与靶标miRNAs的浓度之间具有相关性。从图中曲线可以看出,miR-125a-5p和miR-126的线性范围为10pmol/L-100nmol/L(miR-125a-5p和miR-126的R2值分别为0.999和0.995)。
2.2 单纳米金探针检测体系的准确性
为了考察单纳米金探针检测体系的准确性,将三个不同浓度的标准品miR-126加入到胎牛血清中(预混有RNA酶抑制剂)并进行分析。如表2所示,测得miR-126的回收率为81.5%-109.1%,表明这种传感器具有一定的准确性。
表2基于单纳米金探针结合基因芯片检测miR-126的准确性
序号 MiR-126加入量 MiR-126测得量 回收率 标准偏差
1 10nmol/L 8.15nmol/L 81.5% 3.6%
2 1nmol/L 1.091nmol/L 109.1% 5.4%
3 100pmol/L 104.7pmol/L 104.7% 4.9%
2.3 临床样本分析
为了考察这种方法的实际应用价值,收集肺癌组织样本,利用这种传感器分析肺癌组织总RNA中miR-126的含量,同时用定量PCR分析同一个样本。从表3可以看出,用这种传感器对样本分析得到的结果与定量PCR具有一致性,说明这种传感器对临床样本的检测具有良好的适用性。
表3 基于单纳米金探针结合基因芯片及定量PCR检测组织样本中miR-126的结果
2.4 基于双纳米金探针结合基因芯片检测miR-125a-5p
2.4.1 探针的优化
为了进一步提高检测灵敏度,使用两个纳米金探针来检测miR-125a-5p,并将纳米金探针的浓度和报告探针浓度进行优化。首先,将靶标miR-125a-5p的浓度固定为1nmol/L,报告探针浓度固定为100nmol/L,纳米金探针1的浓度固定为13.4nmol/L,将纳米金探针2稀释成一系列不同的浓度并进行杂交。如图5A所示,纳米金探针2的最佳浓度为6.7nmol/L。然后,将纳米金探针2的浓度固定为6.7nmol/L并优化纳米金探针1的浓度。由图5B可以看出,当纳米金探针1的浓度为0.134nmol/L时,杂交信号达到平台期。最后,将纳米金探针1和2的浓度分别固定为0.134nmol/L和6.7nmol/L,并对报告探针的浓度进行优化。图5C表明,报告探针的最佳浓度为1nmol/L。
2.4.2 检测miR-125a-5p
配制从10pmol/L到1fmol/L一系列不同浓度的miR-125a-5p标准品并用于芯片检测。由图4A可以看出。随着miRNA浓度的降低,检测信号逐渐减弱,最终可以检测到1fmol/L的靶标miR-125a-5p。图4B表明miR-125a-5p的浓度与灰度值之间具有相关性,检测的线性范围是1fmol/L-10pmol/L(R2=0.996)。

Claims (5)

1.一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,其特征在于:所述生物传感器包括:固定在基因芯片上的靶标miRNA特异性捕获探针、miRNA特异性报告探针和纳米金探针以及信号增强液;其中,纳米金探针表面的检测探针序列为:
SH-TTTTTTTTTTGCACAGGAGCAACAG、SH-TTTTTTTTTTCTGTTGCTCCTGTGC中的两种;采用两种纳米金探针时浓度为0.134nmol/L和6.7nmol/L。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,其特征在于:所述靶标miRNA特异性捕获探针的序列为:
miR-125a-5p捕获探针:NH2-TTTTTTTTTTTTTTTTTCACAGGTTAAA;
miR-126捕获探针:NH2-TTTTTTTTTTTTTTTTCGCATTATTAC。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,其特征在于:所述靶标miRNA特异性报告探针的序列为:
miR-125a-5p报告探针:GGGTCTCAGGGA(T)15GTCGTCTGTTGCTCCTGTGC;
miR-126报告探针:TCACGGTACGA(T)15GTCGTCTGTTGCTCCTGT。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,其特征在于:miRNA特异性报告探针的浓度为1nmol/L。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米金探针结合基因芯片可视化检测microRNA的生物传感器,其特征在于:所述信号增强液为25mmol/L的MES缓冲液、30%的H2O2和100mmol/L的HAuCl4溶液按照体积比5:3:2混匀而得。
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