CN110408701A - 一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统 - Google Patents

一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结肠癌K‑ras癌基因突变检测系统,以下步骤：A、制备纳米孔；B、纳米孔表征及序列设计；C、构建结肠癌K‑ras癌基因检测；D、对纳米孔本底噪声信号的提取；E、对纳米孔技术应用于结肠癌K‑ras基因突变检测的可行性分析；F、建立样本模型，本发明着眼于固态纳米孔稳定、易于设计加工、高通量与易物化改性的优点，对野生型K‑ras癌基因在密码子12处引入一个MvaI酶切位点，利用高灵敏的纳米孔离子电流检测技术，研究结肠癌K‑ras基因酶切后突变和野生型在纳尺度环境下易位行为，揭示分子运动规律，解释动力学机制。

Description

一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统
技术领域
本发明涉及K-ras癌基因突变检测技术领域，具体为一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统。
背景技术
结肠癌是常见的发生于结肠部位的消化道恶性肿瘤，好发于直肠与乙状结肠交界处，以40～50岁年龄组发病率最高，男女之比为2～3：1。发病率占胃肠道肿瘤的第3位。结肠癌主要为腺癌、黏液腺癌、未分化癌。大体形态呈息肉状、溃疡型等。结肠癌可沿肠壁环行发展，沿肠管纵径上下蔓延或向肠壁深层浸润，除经淋巴管、血流转移和局部侵犯外，还可向腹腔内种植或沿缝线、切口面扩散转移。慢性结肠炎患者、结肠息肉患者、男性肥胖者等为易感人群。
结肠癌发病的主要与高脂肪和低纤维素饮食有关。结肠的慢性炎症使肠癌的发生率比一般人群高。有结肠息肉者，结肠癌发生率是无结肠息肉者的5倍。家族性多发性肠息肉瘤，癌变的发生率更高。遗传因素可能也参与结肠癌的发病。
K-ras基因是公认的癌基因，在结肠癌突变率可达30～60％。约90％的K-ras基因突变发生在突变热点2号外显子12、13密码子上，其密码子12是发生突变的热点位置。临床上靶向新药爱必妥(Erbitux)和帕尼单抗(Panitumumab)仅适用于无突变的K-ras基因野生型患者，对K-ras突变患者无效。因此，检测K-ras基因突变对于指导结直肠癌患者的靶向治疗具有重要意义。
固态纳米孔被认为是一种快速高通量、超高读长、无标记、无扩增、单分子检测技术之一，更重要的是它可以在不损失任何结构和动力学上的有用信息的前提下准确地分析DNA。相比于前面三代测序技术，第四代纳米孔测序技术完全摆脱了洗脱过程、PCR扩增过程，是从光学检测到电子传导检测的双重跨越单分子测序方法。研究固态纳米孔K-ras基因突变检测的时空信号，揭示K-ras基因突变在纳尺度下分子运动规律，解释K-ras基因突变在纳尺度下动力学机制，在靶向治疗、医学诊断与检测方面可以给医生提供强大、高效、精准的手段，对癌症的早期预警具有重要的现实意义，对单个生物分子的无扩增检测、生物化学和生物物理学方面的研究具有重要科学意义，为研制固态纳米孔测序仪奠定基础。
因此，亟待研究一种结肠癌原位K-ras基因突变检测系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,包括以下步骤：
A、制备纳米孔；
B、纳米孔表征及序列设计；
C、构建结肠癌K-ras癌基因检测；
D、对纳米孔本底噪声信号的提取；
E、对纳米孔技术应用于结肠癌K-ras基因突变检测的可行性分析；
F、建立样本模型。
优选的，所述根据步骤A
a、使用食人鱼清洗硅晶圆，单晶型双面抛光的硅晶圆直径为100mm，厚度300μm；
b、通过热氧化在硅晶圆的双面分别沉积一层100nm厚的二氧化硅薄膜；
c、通过低压气相化学沉积技术继续在正面沉积一层100nm的氮化硅薄膜，背面沉积一层500nm的氮化硅薄膜；
d、利用甩胶机在已沉积500nm的氮化硅的一面均匀地覆盖上一层光刻胶，基片上形成一个500μm×500μm的正方形窗口，采用等离子刻蚀对氮化硅进行垂直腐蚀，用HF腐蚀二氧化硅层到硅基底终止；
e、纳米孔的制备是通过FEI Strata 201FIB系统的稼粒子束，轰击得到的纳米孔芯片。
优选的，所述根据步骤A制备得到2-300纳米厚的自支撑氮化硅薄膜。
优选的，所述根据步骤A采用FIB/TEM打孔
a、利用MEMS微加工工艺和聚焦离子束Strata FIB 201微细加工平台制备单个固态纳米孔；
b、利用标准的硅加工工艺制备形成50μm×50μm正方形大小的Si3N4自支撑膜；
c、利用聚焦离子束加工平台发出的高能Ga+离子将氮化硅悬空膜击穿，制备纳米孔；
d、利用双束型聚焦离子束DB-FIB加工系统和氦离子显微镜HIM平台在100nm和30nm两种膜厚的氮化硅悬空膜上对纳米孔的制备进行优化制备纳米孔。
优选的，所述根据步骤B
a、运用场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜可以实现孔径大小，表面形貌的直观扫描，及其通过荧光标记间接反应孔内修饰；
b、场发射扫描电子显微镜配备了微区元素分析功能，实现纳米孔孔口以及纳米孔周边的化学修饰后的元素分析表征。
优选的，所述根据步骤B纳米孔表征及序列DNA探针功能化氮化硅纳米孔特异性识别
a、通过手臂分子双功能试剂化学共价连接在其表面引入一个特异性的DNA探针氨基DNA探针5-TTTTTTTTTTTTGTCATTATGTGCTGCCATATCTA CTTCAGA-3序列；
b、通过固定寡核苷酸探针分子，研究探针与完全互补序列CGTAGGTACTCCTTAAAGTTAGTATTTTTATATGTAGTTTCT GAAGTAGAT ATGGCAGCACATAATGACATATTTGTACTGCGTGTAGTATCAACAACAGTAACAAA和非互补序列ACATGTCTTATATATTCTTTAAAATTTTCATTTTTATATG TACTGTCACTAGTTACTTGTGTGCATAAAGTCATATTAGTACTGCGAGTGGTATCTACCACAGTAACAAA的特异性识别，固定各种不同目标生物分子识别未知特定DNA。
优选的，所述根据步骤BK-ras癌基因酶切合成以及K-ras癌基因引入MvaI酶切位点
a、K-ras癌基因的密码子12由GGT突变为GTT，上、下游引物序列分别为5'-Ru(bpy)32+-gac tga ata taa act tgt ggt agt tgg acc t-3'和5'-Biotin-cta ttg ttg gatcat an cgt cc-3'。
b、上游引物序列5'-Ru(bpy)32+-gac tga ata taa act tgt ggt agt tgg acct-3'的3末端倒数第三位碱基处引入了一个错配碱基。
优选的，所述根据步骤B野生型基因在密码子12处存在一个MvaI酶切位点(5'-CC*A(T)GG-3')，用MvaI酶切，Ru(bpy)32+将标记端与生物素标记端切开。
优选的，所述根据步骤D
a、利用Axon公司的700B及200B膜片钳电流放大器对本器件的电流进行实时检测；
b、采用微弱电流信号放大器进行实时检测，采样频率达1M以上；
c、基于利用自行编译的Matlab程序，对所测电流信号进行频谱分析，结合多种数字滤波，小波变换等手段，以最大程度的提高信噪比，突显样品信号差异。
优选的，所述根据步骤F采用PNP模型，以Poisson方程，Nernst-Plank方程及Stokes方程构建的PNP模型，进行纳米孔仿真模拟，采用COMSOL Multiphysics 4.4版作为建模工具。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该系统利用高灵敏的纳米孔离子电流检测技术，研究结肠癌K-ras基因酶切后突变和野生型在纳尺度环境下易位行为，揭示分子运动规律，解释动力学机制，解释动力学机制。
附图说明
图1为本发明结肠癌K-ras癌基因突变检测系统结构示意图；
图2为本发明纳米孔加工流程示意图；
图3为本发明纳米孔的电流-电压关系曲线示意图；
图4为本发明特异性识别易位实验的阻塞电流与易位持续时间在不同电压下二维散点图；
图5为本发明DNA特异性识别发生易位示意图；
图6为本发明电压与阻塞电流的函数关系示意图；
图7为本发明电压与易位持续时间的函数关系示意图；
图8为本发明不同电压下特异性互补序列易位信号的函数关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8,本发明提供一种技术方案：一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：包括以下步骤：
A、制备纳米孔；
B、纳米孔表征及序列设计；
C、构建结肠癌K-ras癌基因检测；
D、对纳米孔本底噪声信号的提取；
E、对纳米孔技术应用于结肠癌K-ras基因突变检测的可行性分析；
F、建立样本模型。
在制备纳米孔的时候，先用食人鱼清洗硅晶圆，单晶型双面抛光的硅晶圆直径为100mm，厚度300μm，通过热氧化在硅晶圆的双面分别沉积一层100nm厚的二氧化硅薄膜，通过低压气相化学沉积技术继续在正面沉积一层100nm的氮化硅薄膜，背面沉积一层500nm的氮化硅薄膜，利用甩胶机在已沉积500nm的氮化硅的一面均匀地覆盖上一层光刻胶，基片上形成一个500μm×500μm的正方形窗口，采用等离子刻蚀对氮化硅进行垂直腐蚀，用HF腐蚀二氧化硅层到硅基底终止，纳米孔的制备是通过FEI Strata201FIB系统的稼粒子束，轰击得到的纳米孔芯片。
制备得到2-300纳米厚的自支撑氮化硅薄膜。
利用MEMS微加工工艺和聚焦离子束Strata FIB 201微细加工平台制备单个固态纳米孔，利用标准的硅加工工艺制备形成50μm×50μm正方形大小的Si3N4自支撑膜，利用聚焦离子束加工平台发出的高能Ga+离子将氮化硅悬空膜击穿，制备纳米孔，利用双束型聚焦离子束DB-FIB加工系统和氦离子显微镜HIM平台在100nm和30nm两种膜厚的氮化硅悬空膜上对纳米孔的制备进行优化制备纳米孔。
运用场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜可以实现孔径大小，表面形貌的直观扫描，及其通过荧光标记间接反应孔内修饰，场发射扫描电子显微镜配备了微区元素分析功能，实现纳米孔孔口以及纳米孔周边的化学修饰后的元素分析表征。
通过手臂分子双功能试剂化学共价连接在其表面引入一个特异性的DNA探针氨基DNA探针5-TTTTTTTTTTTTGTCATTATGTGCTGCCATATCTA CTTCAGA-3序列，通过固定寡核苷酸探针分子，研究探针与完全互补序列CGTAGGTACTCCTTAAAGTTAGTATTTTTATATGTAGTTTCTGAAGTAGAT ATGGCAGCACATAATGACATATTTGTACTGCGTGTAGTATCAACAACAGTAACAAA和非互补序列ACATGTCTTATATATTCTTTAAAATTTTCATTTTTATATG TACTGTCACTAGTTACTTGTGTGCATAAAGTCATATTAGTACTGCGAGTGGTATCTACCACAGTAACAAA的特异性识别，固定各种不同目标生物分子识别未知特定DNA。
DNA探针功能化氮化硅纳米孔过程中，电压与特异性互补易位事件的阻塞电流呈线性增长与易位时间成指数衰减的关系；在较小的电压下，解链时间较长，在150mV的电压下的解链时间大约是3.6ms，随着电压的增加解链时间加快，直到在400mV的电压下，解链时间平台消失。
K-ras癌基因酶切合成以及K-ras癌基因引入MvaI酶切位点
K-ras癌基因的密码子12已由GGT突变为GTT，上、下游引物序列分别为5'-Ru(bpy)32+-gac tga ata taa act tgt ggt agt tgg acc t-3'和5'-Biotin-cta ttg ttg gatcat an cgt cc-3'，其中，上游引物的3末端倒数第三位碱基处引入了一个错配碱基，用于在扩增野生型样品时引入一个MvaI酶切位点，由于野生型基因在密码子12处存在一个MvaI酶切位点(5'-CC*A(T)GG-3')，用MvaI酶切，Ru(bpy)32+标记端与生物素标记端被切开，突变型基因密码子12发生了点突变，导致酶切位点丢失，所以不会被切断。
利用Axon公司的700B及200B膜片钳电流放大器对本器件的电流进行实时检测，采用微弱电流信号放大器进行实时检测，采样频率达1M以上，基于利用自行编译的Matlab程序，对所测电流信号进行频谱分析，结合多种数字滤波，小波变换等手段，以最大程度的提高信噪比，突显样品信号差异。
同时，基于固态纳米孔传感器的电学特性以及信号特征，结合微弱信号检测电路的低噪声设计原则，采用AD8615和AD811这两种运算放大器作为跨阻放大器的主要芯片，以三级放大为设计思路，利用跨阻放大原理将AD8615用于前置放大电路，并且选择高精密高稳定金属箔电阻作为反馈电阻，使整个放大器的噪声尽可能的低，二，三级放大电路采用AD811实现电压的连续放大，并且通过电路设计达到提高输入阻抗和降低输出阻抗的目的，从而提高整个跨阻放大器的带载能力。
最后将采集的数据信号采用PNP模型，以Poisson方程，Nernst-Plank方程及Stokes方程构建的PNP模型，进行纳米孔仿真模拟，采用COMSOL Multiphysics 4.4版作为建模工具。
对采集后的数据，以及建立的分子动力学模型进行分析
由于野生型基因在密码子12处存在一个MvaI酶切位点，用MvaI酶切，Ru(bpy)32+标记端与生物素标记端被切开，突变型基因密码子12发生了点突变，导致酶切位点丢失，所以不会被切断，经电压反馈控制将突变的K-ras基因和野生型的K-ras基因事件变成一个可测量的电输出信号，那么通过测量离子电流的变化可以用于K-ras基因突变检测。
固态纳米孔技术可以在不损失任何结构和动力学上的有用信息的前提下准确地分析DNA，单个酶分子以及DNA分子在纳米尺度上的易位行为以及电压反馈控制单酶分子与底物的相互作用，纳米孔技术应用于结肠癌K-ras基因突变的检测理论设计是可行的。
综上所述，本发明利用高灵敏的纳米孔离子电流检测技术，研究结肠癌K-ras基因酶切后突变和野生型在纳尺度环境下易位行为，揭示分子运动规律，解释动力学机制。
本发明的有益效果是：
利用高灵敏的纳米孔离子电流检测技术，研究结肠癌K-ras基因酶切后突变和野生型在纳尺度环境下易位行为，揭示分子运动规律，解释动力学机制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：包括以下步骤：
A、制备纳米孔；
B、纳米孔表征及序列设计；
C、构建结肠癌K-ras癌基因检测；
D、对纳米孔本底噪声信号的提取；
E、对纳米孔技术应用于结肠癌K-ras基因突变检测的可行性分析；
F、建立样本模型。
2.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤A
a、使用食人鱼清洗硅晶圆，单晶型双面抛光的硅晶圆直径为100mm，厚度300μm；
b、通过热氧化在硅晶圆的双面分别沉积一层100nm厚的二氧化硅薄膜；
c、通过低压气相化学沉积技术继续在正面沉积一层100nm的氮化硅薄膜，背面沉积一层500nm的氮化硅薄膜；
d、利用甩胶机在已沉积500nm的氮化硅的一面均匀地覆盖上一层光刻胶，基片上形成一个500μm×500μm的正方形窗口，采用等离子刻蚀对氮化硅进行垂直腐蚀，用HF腐蚀二氧化硅层到硅基底终止；
e、纳米孔的制备是通过FEI Strata 201 FIB系统的稼粒子束，轰击得到的纳米孔芯片。
3.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤A制备得到2-300纳米厚的自支撑氮化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤A采用FIB/TEM打孔
a、利用MEMS微加工工艺和聚焦离子束Strata FIB 201微细加工平台制备单个固态纳米孔；
b、利用标准的硅加工工艺制备形成50μm×50μm正方形大小的Si3N4自支撑膜；
c、利用聚焦离子束加工平台发出的高能Ga+离子将氮化硅悬空膜击穿，制备纳米孔；
d、利用双束型聚焦离子束DB-FIB加工系统和氦离子显微镜HIM平台在100nm和30nm两种膜厚的氮化硅悬空膜上对纳米孔的制备进行优化制备纳米孔。
5.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤B
a、运用场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜可以实现孔径大小，表面形貌的直观扫描，及其通过荧光标记间接反应孔内修饰；
b、场发射扫描电子显微镜配备了微区元素分析功能，实现纳米孔孔口以及纳米孔周边的化学修饰后的元素分析表征。
6.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤B纳米孔表征及序列DNA探针功能化氮化硅纳米孔特异性识别
a、通过手臂分子双功能试剂化学共价连接在其表面引入一个特异性的DNA探针氨基DNA探针5-TTTTTTTTTTTTGTCATTATGTGCTGCCATATCTACTTCAGA-3序列；
b、通过固定寡核苷酸探针分子，研究探针与完全互补序列CGTAGGTACTCCTTAAAGTTAGTATTTTTATATGTAGTTTCT GAAGTAGAT ATGGCAGCACATAATGACATATTTGTACTGCGTGTAGTATCAACAACAGTAACAAA和非互补序列ACATGTCTTATATATTCTTTAAAATTTTCATTTTTATATG TACTGTCACTAGTTACTTGTGTGCATAAAGTCATATTAGTACTGCGAGTGGTATCTACCACAGTAACAAA的特异性识别，固定各种不同目标生物分子识别未知特定DNA。
7.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤BK-ras癌基因酶切合成以及K-ras癌基因引入MvaI酶切位点
a、K-ras癌基因的密码子12由GGT突变为GTT，上、下游引物序列分别为5'-Ru(bpy)32+-gac tga ata taa act tgt ggt agt tgg acc t-3'和5'-Biotin-cta ttg ttg gat catan cgt cc-3'。
b、上游引物序列5'-Ru(bpy)32+-gac tga ata taa act tgt ggt agt tgg acc t-3'的3末端倒数第三位碱基处引入了一个错配碱基。
8.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤B野生型基因在密码子12处存在一个MvaI酶切位点(5'-CC*A(T)GG-3')，用MvaI酶切，Ru(bpy)32+将标记端与生物素标记端切开。
9.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤D
a、利用Axon公司的700B及200B膜片钳电流放大器对本器件的电流进行实时检测；
b、采用微弱电流信号放大器进行实时检测，采样频率达1M以上；
c、基于利用自行编译的Matlab程序，对所测电流信号进行频谱分析，结合多种数字滤波，小波变换等手段，以最大程度的提高信噪比，突显样品信号差异。
10.根据权利要求1所述的一种结肠癌K-ras癌基因突变检测系统,其特征在于：所述根据步骤F采用PNP模型，以Poisson方程，Nernst-Plank方程及Stokes方程构建的PNP模型，进行纳米孔仿真模拟，采用COMSOL Multiphysics 4.4版作为建模工具。
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