“双控制、双放大”脱氧核酶级联电路及在精准分子诊断中的应用

The use of modern techniques to collect human function information and to recognize the essence of disease is the prerequisite for the realization of precision medical treatment. Molecular diagnosis technology can help patients find diseases or even predisease status earlier, or classify subcategories of the same disease to determine personalized treatment plan. The development of technology has a revolutionary impact on disease diagnostics. This project aims at exploring and developing a sensitive and accurate new method of molecular diagnosis.Utilizing of the catalytic activity of cutting-type DNAzyme and the programmable, intelligent and multiunit integration function of DNA circuits, we construct a new series of "double-controlled, double-amplified" DNAzyme cascaded circuits for detection of molecular markers. The "double-amplified” can improve detection sensitivity, and the "double-controlled" strategy can increase the detection accuracy. This project is to select breast cancer and leukemia as the main research objects, develop DNA intelligent circuit detection platform based on two kinds of markers and apply them to blood samples and in situ cell detection. This research not only provides new ideas for the development and research of biosensor technology, but also is an innovative research in theoretical and practical aspects.

利用现代科技手段收集人体机能信息和认识疾病本质是实现精准医疗的前提。分子诊断技术能帮助患者更早发现疾病甚至疾病前状态，或者对同一疾病患者进行亚型分类来确定个性化治疗方案，其技术的发展对疾病诊断学的影响是革命性的。本项目以探索和发展灵敏、精准的分子诊断新方法为目标，利用切割型脱氧核酶的催化活性和DNA电路的可编程性、智能化以及多单元集成功能，构建一系列新型“双控制、双放大”脱氧核酶级联电路并应用于疾病标志物分子检测，一方面通过“双放大”提高检测灵敏度，另一方面采用“双控制”策略增加检测精准度。本项目拟选择乳腺癌和白血病为主要研究对象，发展基于两种疾病标志物分子的DNA智能电路检测平台并应用于血液样品和细胞内原位检测研究。该研究不仅能够对生物传感技术的开发研究提供新思路，而且是一项在理论和实际应用方面都有重要意义的创新性研究。

本项目以探索和发展灵敏、精准的分子诊断新方法为目标，利用切割型脱氧核酶的催化活性和DNA电路的可编程性、智能化以及多单元集成功能，构建一系列新型“双控制、双放大”脱氧核酶级联电路并应用于疾病标志物分子检测，一方面通过“双放大”提高检测灵敏度，另一方面采用“双控制”策略增加检测精准度。具体研究内容主要包括以下四个方面内容：（1）设计了多种新型“单/双放大”检测体系：一方面构建了一系列基于酶催化的单放大检测体系，另一方面通过串联两种放大电路构建双放大系统；（2）增强检测信号的准确性和稳定性：我们引入了金纳米颗粒、二氧化锰纳米片和DNA纳米结构，一方面提高核酸分子探针的入胞效率，另一方面提高核酸分子探针在复杂环境中的抗酶切能力。与此同时，我们也结合了比率型荧光信号来增强最终检测信号的稳定性；（3）构建“双控制、双放大”检测系统：我们将逻辑计算和核酸信号放大技术集为一体，一方面通过逻辑计算联合分析多个生物标志物构建“双控制”检测体系提高检测结果的精度，另一方面结合核酸信号技术构建“双放大”检测体系提高检测结果的灵敏度，通过以上两个方面有效地提高检测结果的准确度；（4）构建“双控制、双放大”诊疗一体化系统：我们将“双控制、双放大”检测系统与逻辑控制的治疗模式结合起来，构建了基于逻辑电路控制的诊疗一体化系统，并在细胞与活体水平上展示了该系统的性能和优势。该研究不仅能够对生物传感技术的开发研究提供新思路，而且是一项在理论和实际应用方面都有重要意义的创新性研究。项目执行期间发表SCI论文26篇，申请国家发明专利2项，培养了一批具有化学与生物医学交叉学科综合知识的青年学术骨干。