CN112301095A - 一种超灵敏检测前列腺特异性抗原psa的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,采用动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)研究了该方法的可行性。如图1A所示,加入0.1μg mL‑1PSA前后,直径变化显著。在没有PSA的情况下,AuNPs的直径为419.7nm,加入0.1mg mL‑1PSA后,其直径减小到46.3nm。结果表明,PSA的存在可以引起AuNPs聚集分散的变化。TEM图像进一步证实这一结果,加入0.1μg mL 1PSA前,AuNPs处于聚集状态,加入0.1μg mL 1PSA后,AuNPs处于分散状态(图1B)。这些结果表明,该方法可以通过测量AuNPs的直径变化来定量PSA。该生物传感器能够实现PSA的高灵敏度检测。

Description

一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法
技术领域
本发明属于生物传感器的开发方法,涉及一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法。
背景技术
前列腺特异性抗原(PSA)是一种特异性的前列腺癌标志物,目前已成为临床诊 断前列腺癌的重要生物标志物[1],因此,对PSA的快速定量的检测具有重要临床价值 [2]。目前,PSA的检测方法有多种,包括荧光标记法[3]、电化学免疫传感器法[4]、表面 等离子体共振法[5]、电化学发光法等[6]。为了提高灵敏度,还结合滚环放大等放大方法 设计检测方案[7]。聚合酶链反应(PCR)作为核酸扩增和检测的金标准,具有成本低、 灵敏度高、选择性好的优点,但是还没有被用于PSA的检测。
考虑到蛋白质在疾病中的重要作用,PCR被应用到对蛋白质的高灵敏度检测,从而发展了免疫PCR(immuno-PCR,IPCR)[8]。适配体是一种单链DNA或RNA,具 有较好的亲和力,可以与多种不同的目标分子特异性结合。与抗体相比,适配体具有 合成简单、成本低、免疫原性低等优点[9]。因此,基于适配体的免疫PCR检测被开发 为IPCR,[10,11]的替代方法。IPCR中,一个适配体作为亲和配体,通过PCR直接扩增 产生信号,而不需要费力地在抗体和DNA序列之间偶联。该方法已应用于凝血酶、 血小板源生长因子等蛋白的检测[12-16]。为了避免分离或洗涤步骤,通过将适配体与目 标物的结合过程转化为新的扩增DNA序列进行检测,发展了均相PCR检测方法[11,17]。 这种基于适配体的PCR检测方法已被广泛应用于检测各种疾病相关蛋白[17-22],如抗 原、PDGF-BB和凝血酶等。然而,目前将有同时检测蛋白质和均相PCR结合的研究 较少。
金纳米颗粒(AuNPs)作为一种替代信号报告物在生物传感器中得到了广泛的研究,其具有高的光稳定性,易于与DNA等生物分子合成和功能化,具有较强的光吸 收和散射特性[23]。这些理想的性质导致了基于AuNPs的比色法的发展,这种比色法适 用于包括金属离子、小分子和生物分子在内的一系列分析物[24],这种方法可以方便地 进行视觉检测,但灵敏度较低[25]。最近,动态光散射(dynamic light sacttering,DLS) 作为一种检测技术被引入到基于AuNPs的分析中,直接用于监测分析物引起的AuNPs 的尺寸变化。DLS是一种常用的光学技术,用于表征悬浮液中颗粒(或大分子)的尺 寸分布[26]。AuNPs可以达到很高的光散射能力,使他检测限低至10-16M,而且他们的 光散射强度与颗粒大小成正比[27-32]。同时,AuNPs的光散射信号远高于大多数生物样 品的干扰物质,直径为80nm的AuNPs的光散射信号甚至比有机染料强105倍。
参考文献:
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发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,降低现有技术易出现假阳性的风险,提高现有技术的灵敏度。
技术方案
一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、制备脱氧核糖核酸DNA修饰AuNPs:将巯基修饰的DNA的Oligo 6和 Oligo 7分别溶解于60.0μL的pH为5.0的醋酸盐缓冲溶液,再加入12.0μL的20.0mM 的三(2-羧乙基)膦(TCEP),以还原修饰在DNA上的巯基为二硫键,然后将上述溶 液全部转移至10.0mLAuNPs溶液中,室温孵育16.0h;然后在接下来的44.0h内, 向金纳米粒子溶液中加入5.0M的氯化钠NaCl溶液,并使最终溶液中NaCl的浓度为 100.0mM;修饰完成,除去未修饰到金纳米粒子表面的DNA;最后将制备的修饰了 DNA的金纳米粒子稀释到所需浓度;
步骤2、分子内杂交反应:2.0μL 0.4nM的DNA的Oligo 1和Oligo 2在90.0℃ 加热变性10.0分钟并迅速冷却到室温,然后向20.0mM Tris-Cl,pH值7.9、50.0mM 醋酸钾KAc、10.0mM醋酸镁Mg(Ac)2和1.0mM二硫苏糖醇DTT的缓冲溶液加入 2.0μL不同浓度的前列腺特异性抗原:从1.0pg mL-1到1.0μg mL-1,以及室温的DNA 的Oligo 1和Oligo 2混合液,在37.0℃温度下加热30.0分钟;然后再加入0.5U聚合 酶和1.0μL 2.5mM脱氧核糖核苷三磷酸dNTPs使溶液总量是10.0μL,并继续在37℃ 反应30.0分钟,然后90.0℃加热5分钟,使克列诺片段聚合酶Klenow Fragment失去 活性,反应后的溶液作为PSA的聚合酶链反应PCR的扩增模板于步骤3中使用;
步骤3、聚合酶链扩增反应:PCR混合物的总量为50.0μL的溶液,包括小于50.0 μL的步骤2的溶液、1U Taq酶、200.0μM dNTPs、2.5mM氯化镁MgCl2、4.0nM步 骤1中DNA修饰的AuNPs、1×缓冲溶液、1.0μM Oligo 3、1.0μM Oligo 4、1.0μM Oligo 5;
当PSA存在时,Oligo 1和Oligo 2为DNA/DNA双链结构,PSA识别并结合Oligo 1形成PSA/Oligo 1复合物,与PSA混合后释放Oligo 2,反应终止;当PSA不存在时, Oligo 1和Oligo 2在克列诺片段聚合酶的作用下以彼此为模板延伸,得到两条更长的 DNA链,这两条长DNA链在PCR循环中,通过正向引物和反向引物Oligo 3和Oligo 4识别新模板进行PCR扩增,并在每个周期的延伸过程中对Oligo 5进行切割,其中, Oligo 5包含两个部分,一部分与新扩增模板DNA互补,另一部分与AuNPs上修饰的 DNA的Oligo 6和Oligo 7互补,因此在PCR扩增前AuNPs处于聚集状态,随着PCR 循环周期的延长,AuNPs的聚集程度会逐渐减弱,PSA浓度变化会影响溶液中AuNPs 的直径变化,通过测定直径变化可以定量PSA
PCR扩增条件是:首先94℃变性3分钟,接着以94℃20s,48℃30s,72℃30 s的程序循环30次,最后为保证延伸充分进行,72℃温度条件下继续延伸3分钟; PCR反应后溶液中AuNPs的直径变化用动态光散射方法检测;
步骤4、动态光散射粒子直径的测量:采用Nano/Zeta电位计动态光散射粒径测量方法检测步骤3的溶液直径变化;操作条件:温度25.0℃,入射角度90.0°,入射激 光波长683.0nm,激光功率100.0mW;所有测量的尺寸均以强度平均值为基础,每个 粒径为五个测量值的平均值;
所述DNA序列为:
Figure BDA0002649659380000061
Figure BDA0002649659380000071
所述金纳米粒子AuNPs的制备:将2.0mL38.8 mM柠檬酸钠溶液快速加入煮沸的1.0mM氯金酸HAuCl4溶液中搅拌,待溶液颜色由淡黄色变为酒红色后,再回流搅拌 15.0分钟;然后通过连续搅拌将溶液冷却到室温,最后AuNPs通过0.4μm尼龙滤膜 过滤收集。
所述步骤1的除去未修饰到金纳米粒子表面的DNA是:将溶液放置在13800.0rpm转速的离心机离心三次,每次离心30.0分钟,以除去未修饰到金纳米粒子表面的DNA, 每次用pH 8.0的三羟甲基氨基甲烷-醋酸Tris-Ac缓冲溶液洗涤。
有益效果
本发明提出的一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,利用Taq聚合酶的复制和酶切特性,切断连接DNA修饰的AuNPs的链,使本来处于聚集状态的AuNPs 分散。AuNPs的分散导致AuNPs的大小发生变化,DLS对其进行了高度敏感的测量。
采用动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)研究了该方法的可行性。如图1A 所示,加入0.1μg mL-1PSA前后,直径变化显著。在没有PSA的情况下,AuNPs的 直径为419.7nm,加入0.1mg mL-1PSA后,其直径减小到46.3nm。结果表明,PSA 的存在可以引起AuNPs聚集分散的变化。TEM图像进一步证实这一结果,加入0.1μg mL-1PSA前,AuNPs处于聚集状态,加入0.1μgmL-1PSA后,AuNPs处于分散状态 (图1B)。这些结果表明,该方法可以通过测量AuNPs的直径变化来定量PSA。
对分析物的线性响应是分析的关键,因此该方法对不同浓度的PSA存在时AuNPs溶液的直径进行了DLS检测。由图2可知,随着PSA浓度的增加,AuNPs的平均直 径逐渐减小且AuNPs平均直径与PSA浓度的线性关系,结果显示在10.0pg mL-1到1.0μg mL-1范围内,AuNPs平均直径随PSA浓度的对数线性减小。线性回归方程D= 318.3-46.66log10C(C:pgmL-1)和检出限7.0pg mL-1(3δ/斜率)。这些结果表明,该生 物传感器能够实现PSA的高灵敏度检测。
附图说明
图1:(A)动态光散射的结果;(B)透射电镜的结果(a)没有PSA的PCR反应产物; (b)0.1mg mL-1PSA存在时的溶液直径。
图2:金纳米粒子的水合直径与PSA浓度对数变化的线性关系,PSA的浓度从10.0pg mL-1到1.0μg mL-1。误差棒表示三次测量值的标准差。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实例一:通过加标回收率研究该检测方法在复杂生物体质中的检测能力,即在没有被测物质的样品基质中加入定量的标准物质,按样品的处理步骤分析,得到的结果 与理论值的比值。具体过程如下:首先在分子内杂交反应的缓冲液中加入5%人血清 和100.0pgmL-1的标准PSA样品,经过分子内杂交反应和聚合酶链扩增反应,用本发 明方法检测到的PSA浓度是91.70pg mL-1,回收率是91.7%,相对标准偏差(RSD) 是4.3%。
实例二:通过加标回收率研究该检测方法在复杂生物体质中的检测能力,即在没有被测物质的样品基质中加入定量的标准物质,按样品的处理步骤分析,得到的结果 与理论值的比值。具体过程如下:首先在分子内杂交反应的缓冲液中加入5%人血清 和1.0ngmL-1的标准PSA样品,经过分子内杂交反应和聚合酶链扩增反应,用本发明 方法检测到的PSA浓度是0.98ng mL-1,回收率是98.0%,相对标准偏差(RSD)是 1.9%。
实例三:通过加标回收率研究该检测方法在复杂生物体质中的检测能力,即在没有被测物质的样品基质中加入定量的标准物质,按样品的处理步骤分析,得到的结果 与理论值的比值。具体过程如下:首先在分子内杂交反应的缓冲液中加入5%人血清 和10.0ngmL-1的标准PSA样品,经过分子内杂交反应和聚合酶链扩增反应,用本发 明方法检测到的PSA浓度是9.3ng mL-1,回收率是93.0%,相对标准偏差(RSD)是 3.1%。
基于PCR的蛋白质检测需要将蛋白质的信息转化为核酸的检测。因此,我们设想,含有靶蛋白适配体的单链DNA(ssDNA)亲和探针可以作为我们系统中PCR的双链 DNA(dsDNA)模板,从而实现对蛋白质的灵敏度和普遍性检测。依据适配体也能够 结合互补的DNA序列形成一个双链结构,我们设计了一种基于适配体与AuNPs检测 的方法,该方法通过将DNA/DNA双链结构转换为DNA/目标复合物的结果来实现。 图1所示的原理图显示了基于AuNPs的的检测原理,通过双链DNA与复合物的结构 变化到双链DNA的结构来实现。Oligo 1和Oligo 2为DNA/DNA双链结构,PSA识 别并结合Oligo 1形成DNA/target complex,与PSA混合后释放Oligo 2,反应终止。 当PSA不存在时,Oligo 1和Oligo 2在exo-聚合酶的作用下以彼此为模板延伸,得到 两条更长的DNA链,这两条长DNA链在PCR循环中,通过正向引物和反向引物(Oligo 3和Oligo 4)识别新模板进行PCR扩增,并在每个周期的延伸过程中对Oligo 5进行 切割。其中,Oligo 5包含两个部分,一部分与新扩增模板DNA互补,另一部分与AuNPs 上修饰的DNA(Oligo 6和Oligo 7)互补,因此在PCR扩增前AuNPs处于聚集状态,随着PCR循环周期的延长,AuNPs的聚集程度会逐渐减弱。因此,实现了将PSA浓 度转化为AuNPs的直径变化,并利用DLS对直径变化进行测定实现定量检测PSA。
基于PCR的PSA检测需要将PSA的信息转化为核酸的检测。采用动态光散射 (DLS)和透射电镜(TEM)研究了该方法的可行性。如图2所示,加入0.1μg mL-1PSA 前后,水合直径变化显著。在没有PSA的情况下,PCR产物的水合直径为419.7nm, 加入0.1mg mL-1PSA后,其水合直径减小到46.3nm。结果表明,PSA的存在可以引 起AuNPs聚集分散的变化。TEM图像进一步证实这一结果,加入0.1μg mL-1PSA前, AuNPs处于聚集状态,加入0.1μg mL-1PSA后,AuNPs处于分散状态。这些结果表 明,该方法可以通过测量AuNPs的尺寸变化来检测PSA。同时这些结果也表明,DLS 比吸收光谱更敏感,是一种更灵敏的检测PCR产物的技术。
对分析物的线性响应是分析的关键,因此该方法对不同浓度的PSA存在时金纳米粒溶液的直径进行了DLS检测。随着PSA浓度的增加,AuNPs的平均直径逐渐减小。 图2为AuNPs平均直径与PS浓度的线性关系,结果显示在10.0pg mL-1到1.0μg mL-1范围内,AuNPs平均直径随PSA浓度的对数线性减小。线性回归方程D=318.3- 46.66log10C(C:pg mL-1)和检出限7.0pg mL-1(3δ/斜率)。这些结果表明,该生物传感 器能够实现PSA的高灵敏度检测。
为了研究该检测方法在复杂生物体质中的检测能力,我们进行了加入回收实验。如表1-2所示,在每个含有5%人血清的缓冲液中加入不同浓度的PSA,其回收率为 94.6%-97.7%,相对标准偏差(RSD)为2.8%-5.3%。这些结果表明,DLS可以准确 地检测到这些样品中的PSA,表明其在生物系统中检测PSA蛋白的潜在应用价值。
表1-2人血清的PSA加入回收法
Figure BDA0002649659380000101

Claims (3)

1.一种超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、制备脱氧核糖核酸DNA修饰AuNPs:将巯基修饰的DNA的Oligo 6和Oligo 7分别溶解于60.0μL的pH为5.0的醋酸盐缓冲溶液,再加入12.0μL的20.0mM的三(2-羧乙基)膦(TCEP),以还原修饰在DNA上的巯基为二硫键,然后将上述溶液全部转移至10.0mL AuNPs溶液中,室温孵育16.0h;然后在接下来的44.0h内,向金纳米粒子溶液中加入5.0M的氯化钠NaCl溶液,并使最终溶液中NaCl的浓度为100.0mM;修饰完成,除去未修饰到金纳米粒子表面的DNA;最后将制备的修饰了DNA的金纳米粒子稀释到所需浓度;
步骤2、分子内杂交反应:2.0μL 0.4nM的DNA的Oligo 1和Oligo 2在90.0℃加热变性10.0分钟并迅速冷却到室温,然后向20.0mM Tris-Cl,pH值7.9、50.0mM醋酸钾KAc、10.0mM醋酸镁Mg(Ac)2和1.0mM二硫苏糖醇DTT的缓冲溶液加入2.0μL不同浓度的前列腺特异性抗原:从1.0pg mL-1到1.0μg mL-1,以及室温的DNA的Oligo 1和Oligo 2混合液,在37.0℃温度下加热30.0分钟;然后再加入0.5U聚合酶和1.0μL 2.5mM脱氧核糖核苷三磷酸dNTPs使溶液总量是10.0μL,并继续在37℃反应30.0分钟,然后90.0℃加热5分钟,使克列诺片段聚合酶Klenow Fragment失去活性,反应后的溶液作为PSA的聚合酶链反应PCR的扩增模板于步骤3中使用;
步骤3、聚合酶链扩增反应:PCR混合物的总量为50.0μL的溶液,包括小于50.0μL的步骤2的溶液、1U Taq酶、200.0μM dNTPs、2.5mM氯化镁MgCl2、4.0nM步骤1中DNA修饰的AuNPs、1×缓冲溶液、1.0μM Oligo 3、1.0μM Oligo 4、1.0μM Oligo 5;
当PSA存在时,Oligo 1和Oligo 2为DNA/DNA双链结构,PSA识别并结合Oligo 1形成PSA/Oligo 1复合物,与PSA混合后释放Oligo 2,反应终止;当PSA不存在时,Oligo 1和Oligo 2在克列诺片段聚合酶的作用下以彼此为模板延伸,得到两条更长的DNA链,这两条长DNA链在PCR循环中,通过正向引物和反向引物Oligo 3和Oligo 4识别新模板进行PCR扩增,并在每个周期的延伸过程中对Oligo 5进行切割,其中,Oligo 5包含两个部分,一部分与新扩增模板DNA互补,另一部分与AuNPs上修饰的DNA的Oligo 6和Oligo 7互补,因此在PCR扩增前AuNPs处于聚集状态,随着PCR循环周期的延长,AuNPs的聚集程度会逐渐减弱,PSA浓度变化会影响溶液中AuNPs的直径变化,通过测定直径变化可以定量PSA
PCR扩增条件是:首先94℃变性3分钟,接着以94℃20s,48℃30s,72℃30s的程序循环30次,最后为保证延伸充分进行,72℃温度条件下继续延伸3分钟;PCR反应后溶液中AuNPs的直径变化用动态光散射方法检测;
步骤4、动态光散射粒子直径的测量:采用Nano/Zeta电位计动态光散射粒径测量方法检测步骤3的溶液直径变化;操作条件:温度25.0℃,入射角度90.0°,入射激光波长683.0nm,激光功率100.0mW;所有测量的尺寸均以强度平均值为基础,每个粒径为五个测量值的平均值;
所述DNA序列为:
Figure FDA0002649659370000021
2.根据权利要求1所述超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,其特征在于:所述金纳米粒子AuNPs的制备:将2.0mL38.8 mM柠檬酸钠溶液快速加入煮沸的1.0mM氯金酸HAuCl4溶液中搅拌,待溶液颜色由淡黄色变为酒红色后,再回流搅拌15.0分钟;然后通过连续搅拌将溶液冷却到室温,最后AuNPs通过0.4μm尼龙滤膜过滤收集。
3.根据权利要求1所述超灵敏检测前列腺特异性抗原PSA的方法,其特征在于:所述步骤1的除去未修饰到金纳米粒子表面的DNA是:将溶液放置在13800.0rpm转速的离心机离心三次,每次离心30.0分钟,以除去未修饰到金纳米粒子表面的DNA,每次用pH 8.0的三羟甲基氨基甲烷-醋酸Tris-Ac缓冲溶液洗涤。
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