利用CRISPR/Cas12a基因编辑技术结合纳米吸管对AβO进行双模式检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》:Dual-mode detection of AβO using CRISPR/Cas12a gene editing technology combined with Nanopipettes

【字体: 时间:2025年10月31日 来源:Journal of Electroanalytical Chemistry 4.1

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  淀粉样蛋白oligomer检测新方法:本研究开发了一种双模式信号纳米滴管传感器,结合电化学(基于四氟硼酸亚铁氰化钾)和荧光(Cy5标记)信号,利用双链DNA aptamer(Apt1/DNA2)与CRISPR/Cas12a协同作用,通过杂交链反应(HCR)放大信号。该系统在0.1-120 nM范围内线性响应(R2=0.99557),检测限低至2.15 pM,特异性优于传统抗体方法,为阿尔茨海默病早期诊断提供新工具。

  
戴圆圆|秦茵|卢安|黄莉|何继超|陈启伟|兰天作|程楠楠|赵丽娟|王蓉
中国右江民族医学院附属医院

摘要

阿尔茨海默病(AD)是一种进行性且不可逆的神经系统疾病,其特征是中枢神经元的退化或功能障碍。最近的研究表明,可溶性β-淀粉样蛋白寡聚体(AβO)作为早期AD检测的更可靠的生物标志物。为了解决这个问题,我们专门设计了一种双模式信号纳米管传感器用于检测AβO。电化学信号由铁茂(Fc)产生,而荧光信号则基于Cy5。当捕获AβO时,双链DNA适配体(Apt1/DNA2)会启动一个涉及杂交链反应(HCR)的双信号过程。这一机制促进了新型双链DNA结构的形成,并激活了CRISPR/Cas12a系统的辅助切割功能。在AβO存在的情况下,荧光响应与AβO浓度呈线性相关(R2 = 0.99557)。双链适配体和CRISPR/Cas12a的结合特异性,加上HCR提供的双信号,显著提高了系统的特异性和灵敏度。该检测方法的最低检测限为2.15 pM,线性检测范围为0.1–120 nM。此外,这种高特异性和高灵敏度的系统不仅为检测其他疾病的生物标志物铺平了道路,还提供了一个非常有前景的研究方向。

引言

阿尔茨海默病(AD)是一种由中枢神经元死亡或损伤引起的不可逆神经系统疾病[1,2]。它也是全球老年人中最常见的神经退行性疾病[3]。AD确实非常复杂,这使得早期诊断具有挑战性,临床治疗也面临重大挑战,对全球人类健康和医疗系统构成了严重威胁[4]。目前关于AD的发病机制主要有两种理论。第一种是β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块假说,认为Aβ蛋白斑块的沉积是该疾病的主要原因。第二种是Aβ寡聚体假说,认为Aβ蛋白寡聚体的积累是AD的关键病理事件。随着研究的进展,越来越多的证据表明,Aβ在AD发病机制中的毒性高于单纯的Aβ斑块沉积[5,6]。可溶性β-淀粉样蛋白寡聚体(AβO)是由几个或几十个淀粉样蛋白单体通过非共价组装形成的低分子量聚集体[7]。因此,AβO作为AD的生物标志物在临床早期诊断中受到了广泛关注。
传统的AβO检测方法主要依赖于酶联免疫吸附测定(ELISA)。然而,基于抗体的方法的局限性,如抗体制备困难、亲和力低和稳定性差,限制了使用抗体方法检测AβO的效果。然而,随着适配体(Apt)的出现,它们具有制备容易、亲和力高、稳定性好和特异性强等优点[8][9][10],逐渐取代抗体成为检测AβO的新方法。基于适配体的AβO检测可以使用电化学传感器[11,12]、拉曼光谱[13,14]和荧光[15]来实现。在荧光检测方法中,荧光可以有效降低仪器和环境要求,提高信噪比,并具有重要的研究意义。
尽管单信号模式传感器在AβO检测中具有许多优势,但它们仍然容易受到检测条件变化的影响[16,17]。为了提高定量分析的准确性,基于两种不同信号转换机制的双模式传感器已成为一种发展趋势[18,19]。由于两种信号响应机制完全独立运作,双模式传感器不仅整合了两种模式的优点,还交叉验证了检测结果。这种方法减轻了单模型传感器固有的不确定性误差的影响,从而提高了检测结果的可靠性。电化学(EC)传感器和荧光传感器由于其高灵敏度、简单性、快速响应和低成本而受到了广泛关注[20]。据我们所知,基于纳米管和Cas12a衍生物的双模式荧光/电化学传感器在AβO检测中的应用尚未得到充分利用。
此外,规律间隔短回文重复序列(CRISPR)及其相关的Cas蛋白系统(称为CRISPR/Cas基因编辑系统)是目前最广泛使用的基因编辑技术之一[21]。CRISPR/Cas基因编辑系统与熵驱动的扩增反应或杂交链反应(HCR)相结合,在各个领域得到广泛应用[22][23][24]。在医学领域,CRISPR/Cas基因编辑系统与熵驱动的扩增反应或HCR的结合可用于检测和分析SARS-CoV-2[25,26]。这种组合技术能够快速准确地检测病毒的存在,帮助研究人员了解病毒的突变和传播。在农业领域,CRISPR/Cas基因编辑系统与熵驱动的扩增反应或HCR的结合可用于修改作物基因组[27,28]。此外,在生物燃料生产[29,30]、基因编辑[31]、生物医学研究[32,33]等领域也有应用。这些技术的结合可以加速基因编辑过程,提高效率,并为相关领域的研究和应用开辟更多可能性。
受上述技术的启发,我们开发了一种使用适配体(在本手稿中也称为Apt1/DNA2)作为识别元件的传感器[34],结合HCR、纳米管和CRISPR/Cas基因编辑系统进行电化学和荧光信号检测。双模式信号系统提高了传感器的灵敏度,而Apt1/DNA2和CRISPR/Cas技术的特异性增强了传感器的特异性。结果表明,这种基于传感器的方法具有较低的检测限和宽广的线性检测范围。这种方法消除了对酶的依赖,减少了非特异性扩增,并具有临床诊断的潜力,为生物医学研究提供了广阔的前景。

材料与化学试剂

葡萄糖、β-淀粉样蛋白寡聚体、β-淀粉样蛋白纤维、免疫球蛋白G、尿酸、L-半胱氨酸和牛血清白蛋白从Sigma-Aldrich Chemicals购买。EnGen Lba Cas12a(Cpf1)和NEBuffer 2.1从美国New England Biolabs购买。HEIP、铁氰化钾[K?Fe(CN)?]、6-MCH(6-巯基-1-己醇)和Tris-HCl缓冲液(pH 7.4)从中国上海的Aladdin购买。核酸序列来自中国上海的Bioengineering。纳米管(内填充,外层)

提出的传感策略原理

图1显示,当Apt1/DNA2识别到AβO时,Apt1选择性地结合到AβO上,随后含有Fc的Apt1从电极上移开,导致电化学信号减弱。这种结合竞争性地将DNA2从Apt1/DNA2上置换下来。DNA2随后附着在H1链的暴露位点上,展开H1的发夹结构,使其配对形成DNA2/H1双链DNA。这种相互作用随后展开H2的发夹结构,导致

结论

在这项研究中,通过利用CRISPR/Cas12a的辅助切割活性和无酶HCR扩增,建立了一种用于精确量化AβO的双模式传感器。这种创新方法避免了非特异性扩增,从而显著提高了检测灵敏度。荧光信号与AβO浓度在0.1至120 nM范围内表现出强烈的线性相关性,证实了荧光技术用于准确检测AβO的有效性

CRediT作者贡献声明

戴圆圆:正式分析。秦茵:数据管理。卢安:正式分析。黄莉:研究。何继超:方法学。陈启伟:资源获取。兰天作:监督。程楠楠:研究。赵丽娟:研究。王蓉:研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢广西肝胆疾病分子病理学重点实验室(编号Y202210302)的支持。
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