基于DNA水凝胶分子筛分离和SPRi生物传感的肿瘤外泌体microRNA精准检测新方法研究

Tumor-derived exosomal microRNA (miRNA) might be a potential biomarker which not only assist the early screen of cancer but also guide precise diagnosis and treatment. Hence, the rapid, ultrasensitive and precise detection of exosomal miRNAs is significantly. Through designing and synthesizing high affinity, specificity novel molecular probes and combining the novel metal nano-materials and DNA nano-assemblies, we developed a series of rapid, enzyme-free, label-free, ultrasensitive methods for detection of miRNA based upon the surface plasmon resonance imaging (SPRi) biosensing platform. Meanwhile, the DNA self-assembled nanostructure with precise controllable nanopore and functional modification of the specific recognition element was employed to separation and enrichment of exosomes. The integration of the developed separation and biosensing methods will allow us to precisely detect tumor-derived exosomal miRNA even in complicated clinical samples. In conclusion, the implement of this project will provide power technical support for tumor liquid biopsy and individualized diagnosis and treatment.

肿瘤细胞来源外泌体中的microRNA（miRNA）可作为肿瘤液体活检的潜在新型生物标志物，辅助癌症早期筛查、指导肿瘤精准诊疗。因此对外泌体中miRNA的快速、超灵敏的精准检测具有重要意义。本项目在课题组前期研究基础上，基于表面等离子共振成像（SPRi）生物传感平台，设计并合成高亲和力、高特异性的新型分子探针，结合贵金属纳米材料和DNA纳米自组装信号扩增，发展一系列无酶、免标记、快速、超灵敏miRNA定量检测新方法。同时利用具有精确调控和特异性识别元件的功能DNA纳米自组装结构，高效、高选择性的富集分离外泌体。有机整合外泌体高效富集分离和miRNA的超灵敏检测，实现临床样本中肿瘤外泌体miRNA的精准检测。本项目的实施将为肿瘤液体活检和个体化诊疗提供新的技术支持。

肿瘤源性外泌体在肿瘤早期筛查及精准诊疗过程中具有重要临床价值。本项目立足于肿瘤源性外泌体临床应用所面临的两大技术难题：1.外泌体高效、特异性分离富集；2.外泌体低丰度标志物的快速、超灵敏检测，整合分子诊断、生物传感、材料科学等前沿技术，原创性提出一系列外泌体分析新策略，取得了多项高水平创新性研究成果。主要如下：（1）基于局域等离子金属纳米标签，构建非小细胞肺癌（NSCLC）源性外泌体的阵列化SPRi检测传感器：在SPRi芯片上阵列化修饰的不同金属化标签抗体，实现对不同亚型NSCLC细胞来源外泌体的精准分析，并成功应用于临床NSCLC患者血浆外泌体样本的分型检测中。（2）基于高维水凝胶-金纳米超分子球构建高灵敏SPRi检测平台，用于低丰度肿瘤源性外泌体检测：利用疏松多孔的DNA水凝胶高载量携带小尺寸AuNPs，构建质量/局域共振双效益增强的SPRi检测探针，结合靶向适体识别技术，实现对低丰度外泌体的高灵敏检测。（3）构建DNA编程引导的金属异质化探针实现对多通道外泌体miRNA的精准分析：利用DNA精准编程特性构建有序引导结合的异质化局域等离子共振探针，结合框架核酸修饰的抗污多通道SPRi芯片，实现对多重外泌体miRNA的同步高灵敏分析。（4）利用核酸模拟酶催化增强的酪胺信号放大系统，构建外泌体膜蛋白分析的SPRi传感策略： G4-Hemin的高效类酶催化活性可有效激活酪胺在外泌体脂质层的高效沉积，从而实现外泌体蛋白-脂质的双重特异识别，从而基于SPRi平台实现免标记、高特异的肿瘤源性外泌体蛋白分析。（5）基于功能化红细胞适体捕获元件实现对血浆外泌体的特异无损分离，并结合高通量SPRi平台实现NSCLC外泌体的精准分析：整合红细胞生物相容性及核酸适体靶向识别功能，构建无损血浆外泌体捕获元件，同时利用金属有机框架探针在SPRi平台实现捕获外泌体的深入分析。以上系列成果，实现了外泌体无损分离、低丰度标志物分析以及多重外泌体亚型鉴别的全流程精准分析过程，为肿瘤源性外泌体检测迈向临床诊疗应用奠定了坚实基础。