多通道数字PCR滑动芯片单分子灵敏度定量检测痰液中的肺癌相关基因标记物

Lung cancer is one of the most lethal diseases for human globally. The early diagnosis and early treatment is considered to be essential to provide better treatment for patients, save patients’ lives, and extend their lifespan. Long term, high frequency monitoring of the lung-cancer patient is also critical to establish the baseline for cancer, discover recurrence and metastasis in early stage, and understand the cancer resistance to current treatment. It allows doctors to provide “precision treatment” plan according to patients’ individual status and stage of the disease. In recent years, liquid biopsy has drawn a lot of attention thanks to its potential in molecular diagnostics, but with most focus on blood sample. Sputum is a readily available non-invasive sample that does not bring any pain to the patients, and recent studies also demonstrate it contains genetic biomarkers (such as DNA and microRNA) for lung cancer. This proposal will develop a multiplex, high-resolution digital PCR SlipChip system for accurate quantification of lung cancer related miRNA biomarkers in sputum with single molecule sensitivity. This new system will allow reduction or even elimination of the interference effect from background genetic materials or other inhibitors on the quantitative analysis of target miRNA. This system will also be small (portable), easy-to-operate, and low cost. This new sputum-based digital PCR system will be a promising solution for early diagnosis, long-term high frequency monitoring, and personalized treatment for lung cancer patients in hospital, community doctors’ offices, and remote under-developed settings.

肺癌是对人类生命健康的最严重的威胁之一。肺癌的早期检测可以为患者提供“早发现，早治疗”，极大的提高治疗的效果和延长患者的生命。肺癌的长期高频监测可以为患者的治疗提供基准线，及时发现肿瘤的复发、转移、突变及耐药性的产生。从而使医生可以针对患者的个体状况提供及时的个性化精准医疗。痰液是一种无痛无创而且大量可得的液体活检样品，并且在痰液中存在与肺癌相关的基因标记物。本项目研发的多通道、高分辨率数字PCR滑动芯片系统可以在单基因分子层面对痰液中的一系列与肺癌相关的miRNA进行高灵敏度的精准定量。这个新型数字PCR滑动芯片系统还可以降低甚至去除样品中背景基因以及其他抑制物对目标基因检测的影响。并且这个系统还具有小型化、易操作、低成本的优势。这个新型的痰液数字PCR滑动芯片系统将非常有希望在医院、社区诊所甚至边远地区为易感人群及患者提供肺癌早期检测、长期高频检测以及个性化精准医疗。

数字核酸检测是一种新型的核酸定量分析方法。相较于传统的核酸定量方法，其具有检测灵敏度高、不依赖于标准曲线、抗干扰性强等优势。数字核酸检测已经开始被应用于基因表达分析，病毒载量定量以及癌症突变检测等科研以及医学临床检测中。痰液中的miRNA是一种很有潜力的肺癌检测核酸标记物。数字PCR对痰液中分离的一组miRNA进行多通道精准的定量分析有希望为肺癌的早期检测和长期监测提供有利的工具。数字核酸检测的关键核心技术包含液滴生成、温度控制和荧光光学检测。但现有的数字PCR仪器不仅操作繁琐、体积庞大且价格昂贵，很难被广泛的推广应用。.本项目的主要研究内容包括：1）新型的滑动式微流控生物芯片进行多重数字核酸检测；2）对微流控芯片进行准确的温度控制和荧光检测；3）通过研发的数字PCR微流控芯片对肺癌病人痰液样品中的miRNA进行多重定量分析。.本项目所取得的重要成果包括：1）建立了基于表面张力自分区原理的新型滑动式微流控芯片进行多重数字核酸定量分析。2） 设计并搭建了集成便携式温度控制及荧光检测仪器设备控制滑动式微流控芯片完成数字核酸检测。3）通过新型的微流控芯片实现了对肺癌病人痰液中的miRNA-16，miRNA-21，miRNA-31以及miRNA-210的数字式定量分析。因为miRNA的个体差异较大，我们选取了miRNA-16作为内参标记物进行归一化分析。我们的实验结果发现相较于健康对照组的痰液样品，肺癌病人痰液样品中的miRNA-21和miRNA-31有上升的趋势，但miRNA-210的变化并不显著。结果表明miRNA-21及miRNA-31有可能作为痰液中的生物标记物对肺癌进行检测。此外，我们还将研发的生物芯片以及便携式检测系统应用到了HPV及BKV的定量检测中，取得了非常好的临床分析结果。.本项目为核酸的精准定量分析提供了新工具，为推动数字核酸检测技术广泛的应用于miRNA液体活检以及病毒定量检测等科学研究和临床检测中有重要的意义。