基于功能集成式核酸探针的恶性肿瘤相关MicroRNAs多重信号放大诊断研究

Malignant tumors is a serious threat to the health of human beings, and early diagnosis is the critical measure to reduce cancer mortality. Being the new biomarkers of tumor, the microRNAs (miRNAs) can provide important scientific evidence and data support for the early diagnosis of malignant tumors by monitoring their expression level changes. In this project, we will utilize oligonucleotide probes as the biosensing media for miRNAs detection since its appealing features of easy design, easy synthesis, easy modification, and good stability. The main studies are to design and construct novel function-integrated oligonucleotide probes with capabilities of target miRNA recognition, polymerization primer, polymerization template, and self-signal report for simplifying protocols and improving assay performance. Depend on the nucleic acid’s hybridization and configuration transform, as well as the aid of bio-enzymes and nanoparticles, the designed biosensing systems are expected to realize multiple signal amplification and achieve the ultimate goal of robust miRNA biosensing. On this basis, the probe design techniques and signal amplification rules will be mastered for creating new biosensing strategies to highly sensitive and specific detect miRNAs even from complex biological samples, and in turn provide theoretical guidance and technical support for miRNA diagnosis. The achievements of the project can open up new avenues for biomarkers monitoring and have important scientific value for the early diagnosis of malignant tumors.

恶性肿瘤严重威胁着人类健康发展，早期诊断是降低其死亡率的关键所在。MicroRNAs（miRNAs）作为一类新型肿瘤诊断标志物，监测其含量的动态变化可以为恶性肿瘤早期诊断提供重要的科学依据和支持。本项目以易设计、易合成、易标记、稳定性好的核酸探针为传感媒介，以传感平台精简和性能提升为关键出发点，以实现目标miRNA检测为最终目的，通过利用核酸杂交配对、立体构象转变等性质，设计和构筑集目标miRNA识别功能、聚合引物功能、聚合模板功能以及信号报告功能于一体的功能集成式核酸探针，并结合核酸工具酶及纳米材料构建多重信号放大生物传感新策略。在此基础上，解析功能集成式核酸探针的设计技巧与信号扩增规律，建立复杂生物样本中目标miRNA的高灵敏和高特异性检测新方法，为临床miRNAs快速诊断提供理论指导和技术支持。该项目的顺利实施能够为疾病标记物监测开辟新途径，对恶性肿瘤的早期诊断具有重要的科学价值。

促进肿瘤早期诊断手段的发展应对于恶性肿瘤的早期诊断和术后监控，对于减轻中国癌症医疗和患者家庭的负担具有十分重要的现实意义。本项目立足本国健康发展及精准医疗需要，聚焦民生“痛点” -肿瘤的早期精准检测，研究工作从功能核酸探针的基本性质研究、与目标miRNA作用机理研究、传感体系的建立研究及其实际生物样本的应用分析研究四个层面展开，设计并成功构建了基于多种功能核酸探针等温扩增、DNA机器及框架核酸组装的系列生物传感检测策略用于miRNA增敏检测，主要工作包括：（1）设计了可降解模块化拼接探针介导回文结构激活、延迟全开放可转换凸起式分子信标调控目标类似物再生和miRNA触发消解-生长调节串联式等温扩增用于miRNA定性和定量分析；（2）构建了回文信标探针介导双重DNA机器、功能哑铃探针介导级联指数扩增DNA机器和分子信标耦合Y形探针运行三元DNA机器用于miRNA定性和定量检测；（3）探索了DNA多联体与G-Quadruplex纳米线电化学界面组装多分支DNA纳米结构、回文发卡探针辅助周期性建立和瓦解DNA网状结构用于核酸分子诊断。并在此基础上，拓宽功能核酸应用范畴，研究了框架核酸包裹蛋白-无机杂化纳米花调控三级荧光偏正增强、多胸腺嘧啶嵌入的可激活分子信标树枝状自组装，并将其应用于检测肿瘤标志物末端转移酶脱氧核苷酸。通过本项目的研究，产生了一批富有研究价值的关键性实验数据、信号探针与生物传感分析检测技术，有力推动了生物化学基础研究、肿瘤生物学研究、检验医学研究、临床疾病诊断乃至生物材料开发等。这些系列标志性研究成果在应对我国肿瘤发病率、死亡率高的现实情况与诊断费用高、分析程序繁杂的临床问题方面具有广阔的前景，可为肿瘤早期诊断、疗效监测、个性化治疗方案的制定提供理论支撑和技术支持。