KR20160009357A - Method for simultaneously detecting tumor-specific mutation and epigenetic changes of circulating tumor DNA(ctDNA) using Rayleigh light scattering - Google Patents

Method for simultaneously detecting tumor-specific mutation and epigenetic changes of circulating tumor DNA(ctDNA) using Rayleigh light scattering Download PDF

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Abstract

Provided is a method for simultaneously detecting tumor-specific mutation and epigenetic changes of a circulating tumor DNA (ctDNA) using localized surface plasmon resonance (LSPR) and plasmon coupling of metal nanoparticles. According to the present invention, the method not only simultaneously detects tumor-specific mutation and epigenetic changes of a circulating tumor DNA existing by low concentration in the blood, but also is applied to simultaneously detection of various biomarkers existing by low concentration in the body.

Description

레일리 산란을 이용한 순환 종양 DNA(ctDNA)의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이의 동시 검출방법{Method for simultaneously detecting tumor-specific mutation and epigenetic changes of circulating tumor DNA(ctDNA) using Rayleigh light scattering}A method for simultaneous detection of tumor-specific mutations and epigenetic mutations of circulating tumor DNA (ctDNA) using Rayleigh scattering using Rayleigh light scattering (ctDNA) using simultaneous detection of tumor-specific mutations and epigenetic changes (ctDNA)

본 발명은 금 나노입자의 국지화된 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 및 플라즈몬 결합(plasmon coupling) 현상을 이용한 순환 종양 DNA(ctDNA)의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이의 동시 검출방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for simultaneous detection of tumor-specific mutations and epigenetic mutations of circulating tumor DNA (ctDNA) using localized surface plasmon resonance (LSPR) and plasmon coupling phenomena of gold nanoparticles .

순환 종양 DNA(Circulating tumor DNA, ctDNA)는 암 세포로부터 분리되어 혈액 내 존재하는 이중가닥 DNA로서, 종양 특이적 돌연변이 및 후성유전학적 변이를 모두 가지고 있으며, 혈액 내 전체 순환 DNA의 매우 적은 양을 차지고하고 있는 것으로 알려져 있다(Sunami et al., Methods in Molecular Biology, 507:349-356, 2009; Chimonidou et al., Clinical Chemisstry, 57(8):1169-1177, 2011). 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA) 유전자의 ctDNA에서 발생하는 두 개의 핫스팟 변이-542번째 글루탐산의 라이신으로의 변이(E542K)를 코딩하는 엑손 9의 70271번째 구아닌(G)의 아데닌(A)으로의 변이와 545번째 글루탐산의 라이신으로의 변이(E545K)를 코딩하는 엑손 9의 70282번째 구아닌(G)의 아데닌(A)으로의 변이- 및 메틸레이션은 유방암, 전립선암, 뇌암, 간암, 위암 및 폐암 등의 여러 종류의 암에서 잘 알려진 변이이다(Andreas et al., PNAS, 103(5):1475-1479, 2006; Banerji et al., Natere, :486-405-409, 2012; Dawson et al., New England Journal of Medicine, 368: 1199-1129, 2013). Circulating tumor DNA (ctDNA) is a double-stranded DNA that is isolated from cancer cells and is present in the blood. It has both tumor-specific mutations and epigenetic mutations, and is a very small amount of whole circulating DNA in the blood (Sunami et al., Methods in Molecular Biology, 507: 349-356, 2009; Chimonidou et al., Clinical Chemistry, 57 (8): 1169-1177, 2011). Two hotspot mutations in the ctDNA of the phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) gene, phosphatidylinositol 3-kinase catalase subunit, at position 70271 of the exon 9 coding for mutation of the -542th glutamic acid to lysine (E542K) (A) of guanine (G) at position 70282 of exon 9 encoding a mutation of adenine (A) to adenine (A) of 545 th glutamic acid and lysine (Banas et al., 2002), and is a well-known mutation in several types of cancer, including cancer, brain cancer, liver cancer, stomach cancer and lung cancer (Andreas et al., PNAS, -409, 2012; Dawson et al., New England Journal of Medicine, 368: 1199-1129, 2013).

유전학적 변이와 후성유전학적 변이를 동시에 검출할 수 있는 플랫폼의 개발은 순환 종양 DNA 기반의 진단기법에 있어서 민감도(sensitivity)와 정확도(specificity)를 증가시킬 수 있다. 순환 종양 DNA의 크기는 50bp에서 250bp로 다양하고, 순환 종양 DNA는 혈액 내에서 떠다니고 있으므로, 비특이적인 순환 DNA와의 결합을 억제하고, 특정 순환 종양 DNA만 포획하고 농축할 수 있는 기능은 상기 플랫폼에서 필수적이다.The development of a platform that can simultaneously detect genetic and epigenetic mutations can increase the sensitivity and specificity of diagnostic methods based on CTC DNA. The size of the circulating tumor DNA varies from 50 bp to 250 bp and since the circulating tumor DNA is floating in the blood, the ability to inhibit the binding to nonspecific circulating DNA, and to capture and concentrate only specific circulating tumor DNA, It is essential.

중성의 펩타이드 핵산(peptide nucleotide, PNA)는 이중가닥 DNA와 특이적으로 융합하는 특징이 있으며, 이 특징으로 인하여 PNA는 가닥 특이적 이중가닥 DNA를 검출하는 바이오센서에서 사용가능한 프로브로서 뛰어난 성능을 지니고 있다(Bhaskar et al., Journal of the Amercian Chemica Society, 123:9612-9619, 2001; Zohar et al., Nanoletter, 10:4697-4701, 2010). PNA 는 상보적인 핵산과 결합함에 있어서 기본 골격이 전기적으로 중성이므로 전기적 반발을 최소화하여 DNA 및 RNA에 비해 강한 친화력을 갖는다(Zohar et al., Nanoletter, 10:4697-4701, 2010; Bentin et al., Biochemistry, 42:13987-13995, 2003). 특히 PNA/DNA 이중복합체는 부정합(mismatch)에 있어서 DNA/DNA 의 부정합에 비해 열안정성이 저하된다. 단일염기 부정합에 있어서 PNA/DNA와 DNA/DNA 이중복합체는 Tm 값이 각각 15℃, 4℃ 씩 저하된다(Igloi et al., PNAS, 95:8562-8567, 1998; Ray et al., The Journal of the Federation of American Societies for Exprerimental Biology, 14(9):1041-1060, 2000; Park et al., Bio-interphases, 1(4):113-122, 2006). 따라서 PNA 분자는 온도가 제어되는 환경에서 위양성 판독을 제거하기 위한 이상적인 프로브이다. Neutral peptide nucleotide (PNA) is characterized by specific fusion with double-stranded DNA. Due to this characteristic, PNA has excellent performance as a probe which can be used in biosensor detecting strand-specific double-stranded DNA (Bhaskar et al., Journal of the Amercian Chemica Society, 123: 9612-9619, 2001; Zohar et al., Nanoletter, 10: 4697-4701, 2010). PNA has a strong affinity for DNA and RNA by minimizing electrical repulsion since the basic backbone is electrically neutral in binding to complementary nucleic acids (Zohar et al., Nanoletter, 10: 4697-4701, 2010; Bentin et al. , Biochemistry, 42: 13987-13995, 2003). In particular, PNA / DNA duplexes have poor thermal stability compared to DNA / DNA mismatches in mismatch. In the single base mismatch, the Tm values of PNA / DNA and DNA / DNA double complexes decrease by 15 ° C and 4 ° C respectively (Igloi et al., PNAS, 95: 8562-8567, 1998; Ray et al., The Journal Park et al., Bio-interphases, 1 (4): 113-122, 2006). Thus, PNA molecules are ideal probes for eliminating false positives in temperature-controlled environments.

금 나노입자 기반의 나노플라스모닉 검출 플랫폼은 뛰어난 민감도, 정확도 및 특이성을 보유하고 있다. 많은 연구그룹이 은에서부터 금에 이르는 다양한 나노입자의 국지화된 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR) 현상을 이용하여 DNA 타겟을 검출하는 바이오센싱 플랫폼을 연구하고 있다(Truong et al., Lab on a chip, 11:2591-2597, 2011; Willets et al., The Annual Review of Physical Chemistry, 58:267-297, 2007). 이러한 바이오센서들은 특정 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 흡수 밴드의 세기나 주파수가 물질의 종류에 따라 다르고 나노입자가 어떤 물질에 놓여 있는가에 따라 그리고 나노입자의 크기, 모양, 크기 분포에 따라 표면 플라즈몬 주파수가 달라지는 특성을 이용하고 있는데, 이러한 특성이 생체물질의 결합을 측정 가능한 광학 신호로 변화시켜주는 것이다. 따라서, 이러한 LSPR 바이오센서를 제작함에 있어서 나노입자 주변의 반사 인덱스(local refractive index)를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. Nanoplasmonic detection platforms based on gold nanoparticles have excellent sensitivity, accuracy and specificity. Many research groups are studying biosensing platforms that detect DNA targets using localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomena of various nanoparticles ranging from silver to gold (Truong et al., Lab on a chip, 11: 2591-2597, 2011; Willets et al., The Annual Review of Physical Chemistry, 58: 267-297, 2007). These biosensors vary in intensity and frequency of surface plasmon absorption bands of specific metal nanoparticles depending on the type of material, and depending on the substance in which the nanoparticles are placed and the size, shape and size distribution of the nanoparticles, the surface plasmon frequency This characteristic changes the binding of the biomaterial into a measurable optical signal. Therefore, it is important to maintain a constant local refractive index around the nanoparticles in fabricating such an LSPR biosensor.

LSPR 바이오센서의 경우, 최대 파장이 변화하는 정도가 센서의 민감도와 비례한다. 최근 금 나노입자와 면역 금 콜로이드(immunogold colloid)의 플라즈몬 결합(plasmon coupling) 모드를 이용하여 LSPR 최대 파장의 변화를 증폭하는 방법이 알려졌다(Truong et al., Small, 9(20):3485-3492, 2013; Hall et al., The Journal of Physical Chemistry C, 115(5):1410-1414, 2011). 또한 플라즈몬 결합모드에 의한 LSPR 최대 파장은 관찰 가능한 붉은 색 계통으로 변화하는 것으로 알려져 있다(Lange et al., Langmuir, 28:8862-8868, 2012).For LSPR biosensors, the degree to which the maximum wavelength changes is proportional to the sensitivity of the sensor. Recently, a method of amplifying the maximum wavelength change of LSPR using a plasmon coupling mode of gold nanoparticles and immunogold colloids has been known (Truong et al., Small, 9 (20): 3485-3492 , 2013; Hall et al., The Journal of Physical Chemistry C, 115 (5): 1410-1414, 2011). It is also known that the maximum wavelength of the LSPR due to the plasmon-binding mode changes to an observable red line (Lange et al., Langmuir, 28: 8862-8868, 2012).

현재 종양 특이적 변이를 정량적으로 분석하는 방법은 digital PCR과 targeted deep seqeuncing 두 방법 밖에 없다(Banerji et al., Natere, 486:405-409, 2012; Board et al., Clinical Chemistry, 54(4):754-760, 2008). 상기 방법의 단점은 표지가 필요하고, 검출 방법이 복잡하며, 유전한적 변이와 후성유전한적변이를 동시에 검출할 수 없다는 것이다. 따라서 최소한의 샘플 처리만 필요하고, 라벨-프리한 순환 종양 DNA 분자의 종양 특이적 돌연변이 및 후성유전학적 변이를 동시에 직접적으로 검출할 수 있는 검출방법이 필요한 실정이다.
Currently, there are only two methods to quantitatively analyze tumor-specific mutations: digital PCR and targeted deep seqeuncing (Banerji et al., Natere, 486: 405-409, 2012; Board et al., Clinical Chemistry, : 754-760, 2008). The disadvantage of this method is the need for labeling, the complexity of the detection method, and the inability to simultaneously detect genetic variation and subsequent genetic variation. Therefore, there is a need for a detection method capable of simultaneously detecting tumor-specific mutations and epigenetic mutations of the label-free circulating tumor DNA molecules that require minimal sample processing.

이에, 본 발명자들은 표지 없이, 민감도와 정확도가 높고, 순환 종양 DNA의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이를 동시에 검출할 수 있는 나노플라스모닉 바이오센서를 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, LSPR 파장 변화와 플라즈몬 결합(plasmon coupling) 모드를 이용한 나노플라스모닉 바이오센서를 제조하고, 상기 센서가 혈액 내 순환 종양 DNA의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이를 매우 높은 민감도와 정확도로 동시에 검출할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
The present inventors have made intensive efforts to develop a nanoplasmonic biosensor capable of simultaneously detecting tumor-specific mutations and epigenetic mutations of circulating tumor DNA with high sensitivity and accuracy without labeling. As a result, And a plasmon coupling mode, and the sensor can simultaneously detect tumor-specific mutations and epigenetic mutations of circulating tumor DNA in blood with very high sensitivity and accuracy. And completed the present invention.

본 발명의 목적은 국지화된 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance) 현상 및 플라즈몬 결합(plasmon coupling) 모드를 이용하여, 혈액 내 순환종양 DNA(circulating tumor DNA, ctDNA)의 종양 특이적 유전학적 변이와 후성유전학적 변이를 동시에 검출하는 방법을 제공하데 있다. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting tumor-specific genetic variation of circulating tumor DNA (ctDNA) in blood using a localized surface plasmon resonance phenomenon and a plasmon coupling mode, A method for simultaneously detecting genetic mutations is provided.

본 발명의 다른 목적은 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 종양특이적 변이를 검출할 수 있는 PNA 및 상기 PNA가 고정되어 있는 금 나노입자를 이용한 나노플라스모닉 바이오센서를 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a PNA capable of detecting tumor-specific mutations of the phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA), and a nanoparasite And to provide a nickel biosensor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 종양 특이적 DNA 돌연변이 검출용 핵산 프로브가 고정되어 있는 금 나노입자가 고정된 나노플라스모닉 바이오센서에 혈액 샘플을 주입한 다음, 종양 특이적 DNA 후성유전학적 변이 검출용 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 주입하여 검출 신호를 증폭하는 단계 및; (b) 암시야 현미경(dark-field microscopy)과 공명 레일리 산란 마이크로스펙트로스코피 시스템을 이용하여 광산란 스펙트럼을 측정하고 최대파장의 이동도를 분석하는 단계를 포함하는 레일리 산란을 이용한 혈액 내 순환 종양 DNA(cirulating tumor DNA, ctDNA)의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이의 동시 검출방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for detecting tumor-specific DNA mutation, comprising the steps of: (a) injecting a blood sample into a nanoflashmonic biosensor immobilized with gold nanoparticle immobilized thereon, Amplifying a detection signal by injecting immobilized gold colloid immobilized with an antibody for detecting a genetic mutation in the host; (b) measuring the light scattering spectrum using a dark-field microscope and a resonance Rayleigh scattering microspectroscopy system and analyzing the maximum wavelength mobility; ciruller tumor DNA, ctDNA) in tumor-specific mutations and epigenetic mutations.

본 발명은 또한, 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatid- ylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K) 및/또는 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 검출할 수 있는 PNA를 제공한다.The present invention also relates to a mutant (E542K) substituted with a lysine of a phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) at position 542 of glutamic acid and / or a mutant substituted with lysine of a 545th glutamic acid (E545K). ≪ / RTI >

본 발명은 또한, 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatid- ylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K) 및/또는 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 검출할 수 있는 PNA가 고정되어 있는 금 나노입자 및 상기 금 나노입자를 포함하는 나노플라스모닉 바이오센서를 제공한다.
The present invention also relates to a mutant (E542K) substituted with a lysine of a phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) at position 542 of glutamic acid and / or a mutant substituted with lysine of a 545th glutamic acid (E545K), and a nanoflashmonic biosensor including the gold nanoparticle.

본 발명에 따른 나노플라스모닉 바이오센서는 혈액 내에 매우 낮은 농도로 존재하는 순환 종양 DNA의 돌연변이 및 후성유전학적 변이를 높은 민감도로 단시간에 동시 검출할 수 있어, 질병 진단에 유용하다.
The nanoplasmonic biosensor according to the present invention is capable of simultaneously detecting mutation and epigenetic mutation of circulating tumor DNA present in blood at a very low concentration at a high sensitivity in a short time, and is useful for diagnosis of disease.

도 1은 레일리 산란을 이용한 순환 종양 DNA(ctDNA)의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이 검출방법에 대한 개념도이다.
도 2의 (A)는 50nm 크기로 제조된 금 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이며, (B)는 1500배 배율에서 금 나노입자의 암시야 이미지이다.
도 3의 (A)는 면역 금 콜로이드를 제작하기 위해 제조된 20nm 크기의 금 나노입자의 투과전자현미경(TEM)사진이며, (B)는 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드의 제작 단계에 따른 흡광도 변화 그래프이다.
도 4의 (A)는 온도에 따른 순환 종양 DNA분자와 PNA 프로브의 융합에 의한 LSPR 최대 파장의 변화를 기록한 그래프이고, (B)는 금 나노입자에 ctDNA가 결합하고, ctDNA의 메틸시토신에 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드가 결합했을 때, 레일리 광산란 스펙트럼의 최대 파장 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (A)의 검은색 컬럼은 ctDNA 농도에 따른 레일리 광산란 스펙트럼의 최대 파장 변화이고, 빨간색 컬럼은 ctDNA의 mCpG 사이트와 결합하는 면역 금 콜로이드를 이용해, 증폭된 LSPR 변화를 측정한 결과이며, (B)는 ctDNA의 농도 및 methylation 상태에 따른 LSPR 변화의 선형 상관관계 분석 그래프이며, (C)는 면역 금 콜로이드를 주입하기 전, ctDNA와 결합한 금 나노입자의 암시야 현미경 사진이고, (D)는 면역 금 콜로이드를 주입한 후의 금 나노입자의 암시야 현미경 사진이며, (E)는 정상 순환 DNA(normal circulating DNA, ncDNA)의 농도에 따른 LSPR 변화를 측정한 그래프이다.
도 6은 사람 혈장과 섞인 E542K 및 E545K ctDNA의 검출 결과를 나타내는 레일리 광산란 스펙트럼의 최대 파장 변화 그래프이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a tumor-specific mutation of a circulating tumor DNA (ctDNA) using Rayleigh scattering and a method for detecting a metastatic genetic mutation.
FIG. 2 (A) is a transmission electron microscope (TEM) image of gold nanoparticles formed to have a size of 50 nm, and FIG. 2 (B) is a dark background image of gold nanoparticles at a magnification of 1,500.
FIG. 3 (A) is a transmission electron microscope (TEM) image of gold nanoparticles of 20 nm in size produced to produce immunoglobulin colloids, and FIG. 3 Fig.
FIG. 4A is a graph showing the change in LSPR maximum wavelength due to fusion of the circulating tumor DNA molecule and the PNA probe according to the temperature, FIG. 4B is a graph showing the binding of ctDNA to gold nanoparticles and the methyl cytosine FIG. 5 is a graph showing the maximum wavelength change of the Rayleigh light scattering spectrum when immobilized immunoglobulin colloids bound with cytosine antibody are bound. FIG.
The black column in FIG. 5 (A) is the maximum wavelength change of the Rayleigh light scattering spectrum according to the ctDNA concentration, and the red column is the result of measuring the amplified LSPR change using the immunoglobulin colloid binding to the mCpG site of ctDNA, (B) is a graph showing the linear correlation of the change of LSPR according to the concentration and methylation state of ctDNA, (C) is a dark field microscope photograph of gold nanoparticles bonded with ctDNA before injecting immunoglobulin colloid, (E) is a graph showing changes in LSPR according to the concentration of normal circulating DNA (ncDNA). FIG.
6 is a graph of the maximum wavelength change of the Rayleigh light scattering spectrum showing the detection results of E542K and E545K ctDNA mixed with human plasma.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명에서는 혈액 샘플 내 순환 종양 DNA의 돌연변이와 후성유전학적 변이를 동시에 검출할 수 있는 나노플라스모닉 바이오센서를 개발하고자 하였다.The present invention aims to develop a nanoplasmonic biosensor capable of simultaneously detecting mutations and epigenetic mutations of circulating tumor DNA in a blood sample.

본 발명에서는, 국지적 표면 플라즈몬 공명현상과 플라즈몬 결합모드를 활용한 나노플라스모닉 바이오센서를 이용하여 혈액 내 순환 종양 DNA의 돌연변이 및 후성유전학적 변이의 검출을 수행하였다(도 1). 그 결과, 상기 나노플라스모닉 바이오센서가 매우 높은 민감도와 정확도를 가지고 있음을 확인하였다.  In the present invention, mutation and epigenetic mutation of circulating tumor DNA in blood were detected using a nanoflashmonic biosensor utilizing local surface plasmon resonance and plasmon-binding mode (FIG. 1). As a result, it was confirmed that the nanoplasmonic biosensor has very high sensitivity and accuracy.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA) 유전자의 혈액 내, 순환 종양 DNA의 종양 특이적 돌연변이인 542번째 글루탐산의 라이신으로의 변이(E542K)를 코딩하는 엑손 9의 70271번째 구아닌(G)의 아데닌(A)으로의 변이와 545번째 글루탐산의 라이신으로의 변이(E545K)를 코딩하는 엑손 9의 70282번째 구아닌(G)의 아데닌(A)으로의 변이를 검출할 수 있는 PNA가 고정된 금 나노입자를 제작하고(도 2) 이를 포함하는 나노플라스모닉 바이오센서와 후성유전학적 변이인 CpG 메틸레이션을 검출할 수 있는 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 제작하고(도 3), 상기 제작된 PNA 프로브가 고정된 금 나노입자를 포함하는 나노플라스모닉 바이오센서와 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 이용하여 순환 종양 DNA의 종양 특이적 변이와 후성유전학적 변이를 동시에 높은 민감도와 정확도로 검출할 수 있는 것을 확인하였다.That is, in one embodiment of the present invention, the mutation of the 542-th glutamic acid, which is a tumor-specific mutation in the blood, circulating tumor DNA of the phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) (G) of 70282th guanine (G) of exon 9 encoding a mutation of 70271th guanine (G) to adenine (A) of exon 9 coding for mutation of lysine to lysine (E545K) (Fig. 2), and a methyl cytosine antibody capable of detecting CpG methylation, which is a genetic mutation, is prepared by using a nanoparticulate biosensor containing the PNA-immobilized gold nanoparticle A fixed immune gold colloid was prepared (FIG. 3), and the prepared PNA probe was immobilized on a nanoplasmonic biosensor containing immobilized gold nanoparticles and immobilized gold colloid immobilized with a methyl cytosine antibody Using grade was confirmed to be capable of detecting a tumor specific mutation and epigenetic mutations of the circulating tumor DNA at the same time with high sensitivity and accuracy.

따라서 본 발명은 일 관점에서, (a) 종양 특이적 DNA 돌연변이 검출용 핵산 프로브가 고정되어 있는 금 나노입자가 고정된 나노플라스모닉 바이오센서에 혈액 샘플을 주입한 다음, 종양 특이적 DNA 후성유전학적 변이 검출용 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 주입하여 검출 신호를 증폭하는 단계 및; (b) 암시야 현미경(dark-field microscopy)과 공명 레일리 산란 마이크로스펙트로스코피 시스템을 이용하여 광산란 스펙트럼을 측정하고 최대파장의 이동도를 분석하는 단계를 포함하는 레일리 산란을 이용한 혈액 내 순환 종양 DNA(cirulating tumor DNA, ctDNA)의 종양 특이적 돌연변이와 후성유전학적 변이의 동시 검출 방법에 관한 것이다.Accordingly, in one aspect, the present invention provides a method for detecting a tumor-specific DNA mutation, comprising: (a) injecting a blood sample into a nanoplasmonic biosensor immobilized with gold nanoparticle immobilized with a nucleic acid probe for detecting tumor- Amplifying a detection signal by injecting immunoglobulin colloid immobilized with an antibody for detecting a mutation in a mutation; (b) measuring the light scattering spectrum using a dark-field microscope and a resonance Rayleigh scattering microspectroscopy system and analyzing the maximum wavelength mobility; cirulating tumor DNA, ctDNA), and a method for simultaneous detection of tumor-specific mutations and epigenetic mutations.

본 발명에 있어서, 상기 핵산 프로브는 DNA, 압타머(aptamer), RNA, PNA 및 LNA로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the nucleic acid probe may be selected from the group consisting of DNA, aptamer, RNA, PNA and LNA.

본 발명에 있어서, 상기 종양 특이적 DNA 후성유전학적 변이는, DNA methylation인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 항체는, 메틸시토신 항체인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the tumor-specific DNA epigenetic mutation may be DNA methylation, and the antibody may be a methyl cytosine antibody.

본 발명에 있어서, 상기 최대파장의 이동도는 상기 나노플라스모닉 바이오센서의 표면에 결합된 순환 종양 DNA의 밀도에 의해 나타나고, 상기 면역금 콜로이드의 플라스몬 결합 현상에 의해 증폭되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the mobility of the maximum wavelength is represented by the density of circulating tumor DNA bound to the surface of the nanoflashmonic biosensor, and is amplified by the plasmon binding phenomenon of the immunoglobulin colloid .

본 발명에 있어서, 상기 핵산 프로브는 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K) 및/또는 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 검출할 수 있는 PNA라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 서열번호 1 또는 2로 표시되는 PNA일 수 있다.In the present invention, the nucleic acid probe is substituted with lysine (E542K) substituted with lysine of the phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) at position 542 and / or lysine at position 545 of glutamic acid Or a PNA capable of detecting the mutant (E545K), can be used without limitation, and can be preferably a PNA represented by SEQ ID NO: 1 or 2.

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계에서 반응 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 (b) 단계에서 상기 공명 레일리 산란 마이크로스펙트로스코피 시스템에 분광사진기(spectrograph)와 CCD 카메라를 장착하여 최대파장을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the reaction temperature may be kept constant in the step (a). In the step (b), a spectrograph and a CCD camera may be mounted on the resonance Rayleigh scattering micro spectroscopy system And the maximum wavelength is measured.

본 발명에 있어서, 상기 금 나노입자의 평균입자 크기는 11~70nm인 것이 바람직하며, 약 50nm인 것이 더욱 바람직하고, 상기 면역 금 콜로이드의 평균입자크기는 10~90nm인 것이 바람직하며, 10~30nm인 것이 더욱 바람직하다.
In the present invention, the average particle size of the gold nanoparticles is preferably 11 to 70 nm, more preferably about 50 nm, and the average particle size of the gold colloid is preferably 10 to 90 nm, more preferably 10 to 30 nm Is more preferable.

본 발명의 다른 실시예에서는 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA) 유전자의 혈액 내, 순환 종양 DNA의 종양 특이적 돌연변이인 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K)를 코딩하는 엑손 9의 70271번째 구아닌(G)의 아데닌(A)으로의 변이와 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 코딩하는 엑손 9의 70282번째 구아닌(G)의 아데닌(A)으로의 변이를 검출할 수 있는 PNA 프로브를 제작하고, 상기 PNA가 고정된 금 나노입자를 제조한 후(도 2), 이를 이용한 나노플라스모닉 바이오센서를 제작하였다(도 1). 상기 나노플라스모닉 바이오센서를 활용하여 순환 종양 DNA를 검출한 결과, 200fM(2.0*10-13M) 농도의 ctDNA가 검출 가능함을 확인할 수 있었다(도 4).In another embodiment of the present invention, a mutant (E542K) substituted with lysine of 542th glutamic acid, which is a tumor-specific mutation in the blood of circulating tumor DNA in the blood of phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) (G) of 70282th guanine (G) of exon 9 coding for a mutation of 70271th guanine (G) to adenine (A) of exon 9 coding for mutation of lysine (E545K) substituted with lysine of 545th glutamic acid ) Was prepared, and the PNA-immobilized gold nanoparticles were prepared (FIG. 2), and a nanoflashmonic biosensor using the same was prepared (FIG. 1). As a result of the detection of circulating tumor DNA using the nanoflashmonic biosensor, it was confirmed that ctDNA having a concentration of 200 fM (2.0 * 10 -13 M) could be detected (FIG. 4).

따라서, 본 발명은 다른 관점에서, 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K) 및/또는 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 검출할 수 있는 PNA와 상기 PNA가 고정된 금 나노입자 및 이를 포함하는 나노플라스모닉 바이오센서에 관한 것이다.Accordingly, the present invention provides, in a different aspect, a mutant (E542K) substituted with a lysine of a phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) at position 542 of glutamic acid and / or a lysine And a gold nanoparticle immobilized with the PNA and a nanoflashmonic biosensor comprising the same.

본 발명에 있어서, 상기 PNA는 서열번호 1 또는 2로 표시되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the PNA may be characterized by being represented by SEQ ID NO: 1 or 2.

본 발명에 따르면, 매우 높은 민감도로 신속하고 간편하게 혈액 내 순환 종양 DNA를 감지할 수 있어, 순환 종양 DNA의 검출뿐 아니라, 생체 내 낮은 농도로 존재하는 다른 바이오마커의 검출에도 적용될 수 있다.
According to the present invention, it is possible to detect circulating tumor DNA in the blood quickly and easily with a very high sensitivity, so that it can be applied not only to the detection of circulating tumor DNA, but also to the detection of other biomarkers existing at a low concentration in vivo.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예 1: PNA 프로브의 설계 및 온도 조절을 이용한 ctDNA 포획Example 1: Design of PNA probes and capture of ctDNA using temperature control

PIK3CA 유전자 ctDNA의 두 가지 핫 스팟 돌연변이는 이미 잘 알려져 있다(Andreas et al., PNAS, 103(5):1475-1479, 2006; Dawson et al., New England Journal of Medicine, 368:1199-1209, 2013). 상기 두 돌연변이를 포함하고 있는 ctDNA는 69bp길이로 합성하였고, 각각의 ctDNA와 100% 매치하도록 하기의 서열번호 1과 서열번호 2의 PNA 프로브를 제작하였다.Two hotspot mutations of the PIK3CA gene ctDNA are already well known (Andreas et al., PNAS, 103 (5): 1475-1479, 2006; Dawson et al., New England Journal of Medicine, 368: 1199-1209, 2013). The ctDNA containing the two mutants was synthesized to a length of 69 bp, and the PNA probes of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 were prepared so as to match 100% of each ctDNA.

서열번호 1: 5'-HS-AGTGATTTTAGAGAG-3' (E542K probe)SEQ ID NO: 1: 5'-HS-AGTGATTTTAGAGAG-3 '(E542K probe)

서열번호 2: 5'-HS-CCTGCTTAGTGATTT-3' (E545K probe)SEQ ID NO: 2: 5'-HS-CCTGCTTAGTGATTT-3 '(E545K probe)

PNA/DNA 이중복합체는 부정합(mismatch)에 있어서 DNA/DNA 의 부정합에 비해 열안정성이 저하된다. 단일염기 부정합에 있어서 PNA/DNA와 DNA/DNA 이중복합체는 Tm 값이 각각 15℃, 4℃ 씩 저하된다(Igloi et al., PNAS, 95:8562-8567, 1998). 온도 조절이 가능한 반응 챔버에서 PNA 프로브와 ctDNA 분자 사이의 결합을 LSPR 변화를 측정하였다. 온도를 40oC에서 76oC까지 변화시키면서 LSPR 변화를 측정하였다. PNA / DNA duplexes have poor thermal stability compared to DNA / DNA mismatches in mismatch. In single base mismatch, the Tm values of PNA / DNA and DNA / DNA double complexes decrease by 15 ° C and 4 ° C respectively (Igloi et al., PNAS, 95: 8562-8567, 1998). The binding between the PNA probe and the ctDNA molecule in the thermostable reaction chamber was measured for LSPR changes. The LSPR changes were measured while changing the temperature from 40 ° C to 76 ° C.

도 1에 나타난 바와 같이, 200fM의 69bp ctDNA를 PNA 프로브가 고정된 금 나노입자가 고정된 이미지 챔버(RC-30HV, Warner instruments)에 주입하면, PNA 프로브와 ctDNA 분자의 결합에 의해 LSPR 변화가 관찰된다. 왜냐하면, LSPR 기반의 플랫폼은 금 나노입자의 광산란을 잘 이용할 수 있고, 주변 환경의 반사 인덱스의 변화에 매우 민감하기 때문이다. PNA 프로브와 정상 순환 DNA 또는 순환 종양 DNA 복합체 사이의 melting temperature의 큰 차이가 금 나노입자의 표면에 ctDNA만 특이적으로 융합시키는데 중요한 요소이다. 정상 순환 DNA를 워싱한 후, 융합한 ctDNA의 농도는 각 나노플라스모닉 바이오센서의 LSPR 파장 변화를 측정함으로서 계산할 수 있다.
As shown in FIG. 1, when 200 bM of 69 bp ctDNA was injected into an image chamber (RC-30HV, Warner instruments) immobilized with gold nanoparticles immobilized with a PNA probe, LSPR changes were observed by binding of PNA probe and ctDNA molecules do. This is because the LSPR-based platform is well suited to the light scattering of gold nanoparticles and is highly sensitive to changes in the reflection index of the surrounding environment. The large difference in melting temperature between PNA probes and normal circulating DNA or circulating tumor DNA complexes is an important factor in specifically fusing ctDNA only to the surface of gold nanoparticles. After normal circulating DNA is washed, the concentration of the fused ctDNA can be calculated by measuring the change in the LSPR wavelength of each nanoflashmonic biosensor.

실시예 2: 금 나노입자의 제작 및 기능화 Example 2: Fabrication and functionalization of gold nanoparticles

10ml의 0.1M의 세실트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammo- nium bromide, CTAB)와 0.5ml의 0.01M 염화금산(hydrogen teterachlo- roaurate, HAuCl4)이 포함된 반응 용액에 1.0ml의 차가운 0.01M 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4)를 첨가하여 빠르게 교반하였다. 그 후, 약 10분간 더 교반하고 나서 상온에서 냉각하였다. 상기와 같은 방법으로 갈색의 평균 약 50㎚ 크기의 금 나노입자를 제조하고, 투과전자현자현미경과 암시야 현미경으로 확인하였다 (도 2).To a reaction solution containing 10 ml of 0.1 M cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and 0.5 ml of 0.01 M hydrogen chloride solution (HAuCl 4 ), 1.0 ml of cold 0.01 M sodium borohydride sodium borohydride, NaBH4) was added thereto, followed by rapid stirring. Thereafter, the mixture was further stirred for about 10 minutes and then cooled at room temperature. Gold nanoparticles having an average size of about 50 nm of brown were prepared by the same method as described above, and confirmed by transmission electron microscopy and dark field microscopy (FIG. 2).

제조된 금 나노입자를 잘 알려진 금-황 화학을 이용하여 thiol기로 수식된 PNA 프로브로 수식하였고, UV/Vis 스펙트로스코피(UV-3600, Shimadzu) 및 투과전자현미경(JEM-2100F, 200kV, JEOL))을 이용하여 확인하였다 (도 2). 각각의 PNA 프로브가 고정된 금 나노입자는 밀폐된 반응 챔버의 커버글라스에 고정하였다.
The prepared gold nanoparticles were modified with thiol-modified PNA probes using well-known gold-sulfur chemistry and UV / Vis spectroscopy (UV-3600, Shimadzu) and transmission electron microscope (JEM-2100F, 200 kV, JEOL) ) (Fig. 2). Gold nanoparticles immobilized on each PNA probe were immobilized on a cover glass of a closed reaction chamber.

실시예 3: 나노플라스모닉 바이오센서의 제작Example 3: Fabrication of nanoplasmonic biosensor

LSPR 시스템이 암시야 현미경, 분광사진기(spectrograph) 및 CCD 카메라로 구성되는 것은 잘 알려져 있다. 본 발명에서는 암시야 현미경으로 Nikon사의 Eclipse TE2000-U를 사용하여 각각의 금 나노입자로부터 발생하는 레일리 광산란을 관찰하였다. 분광사진기는 Roper Scientifics사의 Microspec 2300i를 사용하여 레일리 광산란 스펙트럼을 촬영하였으며, CCD카메라로는 Princeton Instruments사의 PIXIS: 400B를 사용하였다 (도 1).It is well known that LSPR systems consist of darkfield microscopes, spectrographs and CCD cameras. In the present invention, Rayleigh light scattering generated from each gold nanoparticle was observed using a Nikon Eclipse TE2000-U under a dark-field microscope. The spectrophotometer was photographed with Rayleigh light scattering spectrum using Microspec 2300i manufactured by Roper Scientifics, and PIXIS: 400B manufactured by Princeton Instruments was used as a CCD camera (FIG. 1).

PNA 프로브로 기능화된 금 나노입자는 머캅토프로필트리에톡시실란(mercaptopropyltriethoxysilane, MPTES)가 처리된 thiol로 수식된 커버글라스에 고정하였다. 상기 커버글라스를 RC-30HV 반응 챔버에 투입하고, 상기 반응 챔버를 Warner Instrument사의 TC-324C 온도 조절기와 연결하였다. 상기 반응 챔버를 암시야 현미경의 재물대에 고정하고, 주사기 펌프(Havard Apparatus)와 결합하였고, 최종적으로 탈이온수로 세척하여 ctDNA 타겟을 검출하기 위해 준비하였다. Gold nanoparticles functionalized with PNA probes were immobilized on thiol-modified cover glasses treated with mercaptopropyltriethoxysilane (MPTES). The cover glass was placed in an RC-30HV reaction chamber, and the reaction chamber was connected to a TC-324C temperature controller manufactured by Warner Instruments. The reaction chamber was fixed to a platform of a dark-field microscope, combined with a syringe pump (Havard Apparatus), and finally washed with deionized water to prepare a ctDNA target.

LSPR 변화(shift)는 반사 인덱스(refractive index, RI)의 변화에 의해 발생하며, 단위는 nm/RIU(RIU=refractive index unit)이고, 상기 변화는 ctDNA의 결합에 의한 금 나노입자의 주변 환경의 변화에 의해 일어난다. 따라서 LSPR 변화는 나노플라스모닉 바이오센서의 민감도를 반영하게 된다. 반응 단계에 따라 각각의 금 나노입자의 레일리 광산란 스펙트럼을 측정하여 계산하였으며, 계산식은 LSPRshift=LSPRafterbinding??LSPRbeforebinding 이다. 노이즈를 제거하고 스펙트럼을 맞추기 위하여 로렌츠 알고리즘이 있는 Origin Pro 8.6 소프트웨어를 사용하였다.
The LSPR shift is caused by a change in the refractive index (RI), and the unit is nm / RIU (RIU = refractive index unit) It happens by change. Thus, the LSPR changes reflect the sensitivity of the nanoflashmonic biosensor. According to the reaction step was calculated by measuring the Rayleigh scattering spectra of each of the gold nanoparticles, calculation is LSPR shift ?? = LSPR afterbinding beforebinding LSPR. We used Origin Pro 8.6 software with the Lorentz algorithm to remove noise and match the spectrum.

실시예 4: 순환 종양 DNA(ctDNA)의 검출Example 4: Detection of circulating tumor DNA (ctDNA)

순환 종양 DNA를 검출하는 전체적인 단계는 도 1과 같다. 먼저, 50fM에서 3200fM 까지의 합성된 ctDNA를 1X hybridization buffer(PerfectHybTM buffer, Sigma)와 1X 사람 혈장(Sigme-Aldrich)이 혼합된 용액에 준비하였다. 이를 PNA로 기능화된 금 나노입자가 있는 반응챔버에 주입하여 30분간 온도를 변화시켜가면서 LSPR 변화를 측정하였다. 그 결과, 최적의 반응온도가 62oC인 것을 확인할 수 있었다 (도 4). 또한, 검출한계(limit of detection, LOD)를 도출하기 위하여, 200ul의 69bp PIK3CA 유전자 ncDNA 및 사람 유전체 조작(G1521, Promega, USA)를 이용하여 대조 실험을 수행하였고, 각각의 결합 단계에 따른 LSPR 변화를 상기 계산식으로 계산하였다 (도 4).
The overall step of detecting the circulating tumor DNA is shown in Fig. First, synthesized ctDNA from 50 fM to 3200 fM was prepared in a solution of 1 × hybridization buffer (PerfectHyb buffer, Sigma) and 1 × human plasma (Sigma-Aldrich). This was injected into a reaction chamber containing gold nanoparticles functionalized with PNA and the change in LSPR was measured while changing the temperature for 30 minutes. As a result, it was confirmed that the optimum reaction temperature was 62 ° C (FIG. 4). In order to obtain the limit of detection (LOD), a control experiment was carried out using 200 ul of 69 bp PIK3CA gene ncDNA and human genome manipulation (G1521, Promega, USA), and LSPR changes (Fig. 4).

실시예 5: 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드의 제작Example 5: Preparation of immunoglobulin colloids immobilized with methyl cytosine antibody

금 나노입자의 자기 조립 단분자층(Self-Assembled Monolayer, SAM)을 형성하기 위하여 티올-올리고 에틸렌 글리콜(thiol-oligo ethylen glycol, OEGs)을 다음과 같은 방식으로 처리하였다. 먼저 8ml의 금 콜로이드 용액에 HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH(HS-OEG6-COOH)/HS(CH2)11(OCH2CH2)3OH(HS-OEG3-OH) 혼합 용액(1:9 molar ratio (몰농도 비), 0.5mM) 2㎖을 첨가하여, 10시간 배양한 후, 10,000rpm에서 20분간 원심분리를 수행하여 결합하지 않은 OEG를 제거하였다. 그 뒤, 메틸시토신 항체를 상기 금 나노입자 고정하기 위해 상기 금 콜로이드 용액에 1M EDC/NHS(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) -carbodiimide hydrochloride/Nhydroxylsuccinimide) 용액을 넣고 카르복실기를 활성화 한 후, 1.4ul의 20mM 2-머캅토에탄올(2-mercaptoethanol)을 주입하여 반응을 중지 시켰다. 그리고 메틸시토신 항체(1㎍/㎖) 500ul를 혼합한 후에 3시간 동안 배양한 후, 10,000rpm에서 10분간 원심분리하여 얻은 면역 금 콜로이드를 50mM 인산염 완충용액(phosphate buffered saline, PBS, pH 7.4)에 섞어 제작하고, 투과전자현미경으로 확인하였다(도 3). 또한 각 반응 단계별 LSPR 변화를 측정한 결과, 최대 파장이 521nm에서 thiols-oligo ethylene glycol(OEGs)을 처리하여 표면을 개질하였을 때, 530nm로, 메틸시토신 항체를 EDC/NHS를 이용하여 고정 시켰을 때, 534nm로 변화하는 것을 확인하였다 (도 3).
Thiol-oligo ethyleneglycol (OEGs) was treated in the following manner to form a self-assembled monolayer (SAM) of gold nanoparticles. First, HS (CH 2) in the gold colloid solution of 8ml 11 (OCH 2 CH 2) 6 OCH 2 COOH (HS-OEG6-COOH) / HS (CH 2) 11 (OCH 2 CH 2) 3 OH (HS-OEG3- OH) solution (1: 9 molar ratio, 0.5 mM) was added thereto, followed by culturing for 10 hours. Thereafter, the unbound OEG was removed by centrifugation at 10,000 rpm for 20 minutes. Thereafter, a solution of 1M EDC / NHS (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) -carbodiimide hydrochloride / Nhydroxylsuccinimide) was added to the gold colloid solution to fix the gold nanoparticles to the methyl cytosine antibody, The reaction was stopped by the addition of 1.4 ul of 20 mM 2-mercaptoethanol. Then, 500 μl of a methyl cytosine antibody (1 μg / ml) was mixed and cultured for 3 hours. The resulting immunoglobulin colloid obtained by centrifugation at 10,000 rpm for 10 minutes was suspended in 50 mM phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4) , And confirmed by a transmission electron microscope (Fig. 3). As a result of measuring the LSPR changes at each reaction step, when the surface was modified by treatment with thiols-oligo ethylene glycol (OEGs) at a maximum wavelength of 521 nm, when methylcytosine antibody was fixed with EDC / NHS at 530 nm, 534 nm (Fig. 3).

실시예 6: 나노플라스모닉 바이오센서와 면역 금 콜로이드를 이용한 돌연변이와 메틸레이션의 동시 검출Example 6: Simultaneous detection of mutation and methylation using nanoplasmonic biosensor and immunoglobulin colloid

ctDNA의 각 가닥에는 두 개의 메틸레이션된 mCpG 사이트가 존재한다. ctDNA의 첫 번째 검출 이후, ctDNA를 메틸레이션을 검출하고, 검출신호를 증폭하기 위하여, 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 나노플라스모닉 바이오센서에 주입하였다. 면역 금 콜로이드가 매우 낮은 농도의 분석샘플의 공명 신호를 증폭시킨다는 것은 최근에 알려졌다(Truong et al., Small, 9(20):3485-3492, 2013; Hall et al., The Journal of Physical Chemistry C, 115(5):1410-1414, 2011). There are two methylated mCpG sites in each strand of ctDNA. After the first detection of ctDNA, the methylation of ctDNA was detected and the immune gold colloid immobilized with methyl cytosine antibody was injected into the nanoplasmonic biosensor to amplify the detection signal. It has recently been known that immunoglobulin colloids amplify the resonance signals of very low concentrations of analytical samples (Truong et al., Small, 9 (20): 3485-3492, 2013; Hall et al., The Journal of Physical Chemistry C , ≪ / RTI > 115 (5): 1410-1414, 2011).

도 1에 나타난 바와 같이, 면역 금 콜로이드 용액을 바이오센서 주입하여 1시간동안 배양하였고, 그 뒤 탈이온수를 이용하여 표면을 씻어내었다. 증폭된 신호는 LSPR의 변화를 측정함으로서 관찰하였다. 그 결과, 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드 용액은 ctDNA의 mCpG 사이트에 결합하여, 플라스몬 결합 모드를 나타내어, LSPR 변화 신호를 증폭시키고(도 4), 그 폭이 4.3nm에서 11.4nm로 증가하는 것을 확인하였다 (도 5A). 면역 금 콜로이드를 주입한 후, 나노플라스모닉 바이오센서 표면에서의 ctDNA methylation의 검출은 암시야 현미경을 통하여 직접적으로 관찰할 수 있었다 (도 5C, 도 5D). 정상 순환 DNA를 사용하였을 경우, 농도에 따른 LSPR 변화 신호의 증폭은 관찰되지 않았다 (도 5E)As shown in FIG. 1, an immune gold colloid solution by injection of the biosensor it was incubated for 1 hour, rinsed the surface by using the back of deionized water. The amplified signal was observed by measuring the change in LSPR. As a result, the immunoglobulin colloid solution immobilized with the methyl cytosine antibody binds to the mCpG site of the ctDNA and exhibits a plasmon binding mode to amplify the LSPR change signal (Fig. 4), and its width increases from 4.3 nm to 11.4 nm (Fig. 5A). After injection of the immunogold colloid, detection of ctDNA methylation on the surface of the nanoplasmonic biosensor was directly observable through a dark-field microscope (Fig. 5C, Fig. 5D). When normal circulating DNA was used, no amplification of the LSPR change signal with concentration was observed (Figure 5E)

또한, 혈액 내 순환 종양 DNA가 1ml의 혈장 당, 5-702 카피 즉, 정상 순환 DNA의 0.01% - 25% 정도 밖에 존재하지 않으므로(Dawson et al., New England Journal of Medicine, 368:1199-1209, 2013), 매우 높은 민감도가 필요하다. PIK3CA의 E542K 또는 E545K를 검출할 수 있는 PNA가 고정된 금 나노입자를 포함하는 나노플라스모닉 바이오센서에 상용 인간 혈장(H4522, Sigma Aldrich)에 50fM의 E542 및 E545K 변이가 있는 ctDNA를 섞은 샘플을 62℃에서 주입하고, 메틸시토신 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 이용하여 LSPR 변화를 증폭한 결과, E542K ctDNA는 11,8nm 및 E545K ctDNA는 15.7nm의 LSPR 변화를 관찰하여, 혈액 내 순환 종양 DNA를 검출할 수 있음을 확인하였다 (도 6).
In addition, since circulating tumor DNA in the blood is present in an amount of 5-702 copies per milliliter of plasma, that is, about 0.01% to 25% of normal circulating DNA (Dawson et al., New England Journal of Medicine, 368: 1199-1209 , 2013), very high sensitivity is required. A sample was prepared by mixing Nanoplasmonic biosensor containing PNA-immobilized gold nanoparticles capable of detecting E542K or E545K of PIK3CA with ctDNA with E542 and E545K mutations at 50 fM in human plasma (H4522, Sigma Aldrich) As a result of amplification of the LSPR changes using immune gold colloids immobilized with a methyl cytosine antibody at 62 ° C, LSPR changes of 11.5 nm for E542K ctDNA and 15.7 nm for E545K ctDNA were observed, and blood circulating tumor DNA (Fig. 6).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereto will be. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

<110> Korea University <120> Method for simultaneously detecting tumor-specific mutation and epigenetic changes of circulating tumor DNA(ctDNA) using Rayleigh light scattering <130> P14-B208 <160> 2 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E542K probe_PNA <400> 1 hsagtgattt tagagag 17 <210> 2 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E545K probe_PNA <400> 2 hscctgctta gtgattt 17 <110> Korea University <120> Method for simultaneous detection of tumor-specific mutation and          epigenetic changes of circulating tumor DNA (ctDNA) using Rayleigh          light scattering <130> P14-B208 <160> 2 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E542K probe_PNA <400> 1 hsagtgattt tagagag 17 <210> 2 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E545K probe_PNA <400> 2 hscctgctta gtgattt 17

Claims (15)

다음 단계를 포함하는 레일리 산란을 이용한 혈액 내 순환 종양 DNA(cirulating tumor DNA, ctDNA)의 종양 특이적 돌연변이 및 후성유전학적 변이의 동시 검출 방법:
(a) 종양 특이적 DNA 돌연변이 검출용 핵산 프로브가 고정되어 있는 금 나노입자가 고정된 나노플라스모닉 바이오센서에 혈액 샘플을 주입한 다음, 종양 특이적 DNA 후성유전학적 변이 검출용 항체가 고정된 면역 금 콜로이드를 주입하여 검출 신호를 증폭하는 단계 및;
(b) 암시야 현미경(dark-field microscopy)과 공명 레일리 산란 마이크로스펙트로스코피 시스템을 이용하여 광산란 스펙트럼을 측정하고 최대파장의 이동도를 분석하는 단계.
Simultaneous detection of tumor-specific mutations and epigenetic mutations in circulating tumor DNA (ctDNA) using Rayleigh scattering including the following steps:
(a) A blood sample is injected into a nanoplasmonic biosensor immobilized with a gold nanoparticle immobilized with a nucleic acid probe for detecting tumor-specific DNA mutation, and then an antibody for detecting tumor-specific DNA mutation is immobilized Injecting an immunoglobulin colloid to amplify the detection signal;
(b) Dark-field microscopy and resonance Rayleigh scattering A step of measuring the light scattering spectrum and analyzing the maximum wavelength mobility using a micro-spectroscopy system.
제1항에 있어서, 상기 핵산 프로브는, DNA, 압타머(aptamer), RNA, PNA 및 LNA로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the nucleic acid probe is selected from the group consisting of DNA, aptamer, RNA, PNA, and LNA.
제1항에 있어서, 상기 종양 특이적 DNA 후성유전학적 변이는, DNA methylation인 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the tumor-specific DNA epigenetic variation is DNA methylation.
제1항에 있어서, 상기 항체는 메틸시토신 항체인 것을 특징으로 하는 방법.
2. The method of claim 1, wherein the antibody is a methyl cytosine antibody.
제1항에 있어서, 상기 최대파장의 이동도는 상기 나노플라스모닉 바이오센서의 표면에 결합된 순환 종양 DNA의 밀도에 의해 나타나고, 상기 면역금 콜로이드의 플라스몬 결합 현상에 의해 증폭되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the mobility of the maximum wavelength is represented by the density of circulating tumor DNA bound to the surface of the nanoflashmonic biosensor and is amplified by the plasmon binding phenomenon of the immunoglobulin colloid How to.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 핵산 프로브는 포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K) 및/또는 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 검출할 수 있는 PNA인 것을 특징으로 하는 방법.
3. The nucleic acid probe according to claim 1 or 2, wherein the nucleic acid probe is a mutant (E542K) substituted with lysine at position 542 of glutamate of phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) and / Wherein the mutant (E545K) substituted with lysine of glutamic acid can be detected.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 핵산 프로브는 서열번호 1 또는 2로 표시되는 PNA인 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method according to claim 1 or 2, wherein the nucleic acid probe is a PNA represented by SEQ ID NO: 1 or 2.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 반응 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the reaction temperature is kept constant in the step (a). 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 공명 레일리 산란 마이크로스펙트로스코피 시스템에 분광사진기(spectrograph)와 CCD 카메라를 장착하여 최대파장을 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the spectroscope and the CCD camera are mounted on the resonant Rayleigh scattering micro spectroscopy system in step (b), and the maximum wavelength is measured.
제1항에 있어서, 상기 금 나노입자의 평균입자 크기는 11~70nm이고, 상기 면역 금 콜로이드의 평균입자크기는 10~90nm인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the average particle size of the gold nanoparticles is from 11 to 70 nm, and the average particle size of the gold colloid is from 10 to 90 nm.
제1항에 있어서, 상기 금 나노입자의 평균입자 크기는 약 50nm이고, 상기 면역 금 콜로이드의 평균입자 크기는 10~30nm인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the average particle size of the gold nanoparticles is about 50 nm and the average particle size of the gold nanoparticles is about 10 to 30 nm.
포스파티딜이노시톨 3-인산화효소 촉매 소단위(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit, PIK3CA)의 542번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E542K) 및/또는 545번째 글루탐산의 라이신으로 치환된 변이체(E545K)를 검출할 수 있는 PNA.
(E542K) substituted with lysine at position 542 of phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit (PIK3CA) and / or mutant (E545K) substituted with lysine at position 545 of glutamic acid can be detected in the phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit The PNA.
제11항에 있어서, 서열번호 1 또는 2로 표시되는 PNA.
12. The PNA according to claim 11, which is represented by SEQ ID NO: 1 or 2.
제11항 또는 제12항의 PNA가 고정되어 있는 금 나노입자.
A gold nanoparticle to which the PNA of claim 11 or 12 is immobilized.
제13항의 금 나노입자가 고정되어 있는 나노플라스모닉 바이오센서.
The nanoflashmonic biosensor according to claim 13, wherein the gold nanoparticles are immobilized.
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