基于高电子迁移率晶体管与RNA夹板连接反应的miRNA超灵敏单核苷酸分辨检测技术

为解决临床癌症生物标志物miRNA检测灵敏度不足和单核苷酸分辨率缺失的难题，研究人员开发了整合RNA夹板连接反应(Splint-Ligation)与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的SpLig-HEMT生物传感器。该系统在30分钟内实现10-18 M的检测限，动态范围达10-18-10-13 M，并能精准区分单碱基突变，成功应用于卵巢癌患者血清样本分析，为癌症早期诊断提供新工具。

　　

在癌症精准医疗领域，微小RNA（microRNA，miRNA）作为调控基因表达的关键分子，其异常表达与肿瘤发生发展密切相关。尽管循环miRNA已被证实是极具潜力的癌症标志物，但临床转化面临两大瓶颈：一是血清中游离miRNA浓度极低（早期患者甚至低于femtomolar级别），二是单核苷酸突变（SNP）可能导致完全不同的调控功能。现有检测方法如qPCR需繁琐的扩增步骤，CRISPR技术受限于原间隔相邻基序（PAM）序列要求，而传统场效应晶体管（FET）传感器因miRNA携带电荷较少导致灵敏度不足。

为解决这些挑战，中国科学院研究人员开发了SpLig-HEMT生物传感系统，创新性地将RNA夹板连接反应与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）相结合。该成果发表于《Biosensors and Bioelectronics》，通过双机制突破技术壁垒：HEMT的二维电子气通道实现信号原位放大，而夹板连接反应通过DNA探针与miRNA的特异性杂交引导连接酶精确连接，形成双重识别架构。关键技术包括：1）构建Au栅极修饰的HEMT传感器阵列；2）设计针对miRNA-21的5'磷酸化DNA探针与3'端修饰探针；3）优化SplintR连接酶反应体系；4）采用30例临床血清样本验证性能。

设计原理
HEMT传感器采用AlGaN/GaN异质结构，其二维电子气通道的量子限域效应显著降低噪声。当miRNA-21与两端DNA探针通过夹板连接形成完整双链时，负电荷密度变化经HEMT放大产生可测电流信号。单碱基错配会阻碍连接酶催化，实现突变分辨。

性能验证
系统对miRNA-21的检测限达1 aM（10^-18 M），较传统HEMT灵敏度提升6个数量级。单碱基错配样本无交叉反应，证实单核苷酸分辨率。在血清样本检测中，成功区分健康人与卵巢癌患者（AUC=0.93），且与qPCR结果高度一致。

结论与意义
该研究首次将核酸酶反应与半导体传感技术深度融合，突破现有方法在灵敏度与特异性上的局限。1 aM的检测限使早期癌症筛查成为可能，而无需核酸扩增的检测流程（30分钟完成）大幅提升临床适用性。未来通过调整探针序列可扩展至其他miRNA检测，为癌症分子分型和个体化治疗提供技术支撑。研究获得国家重点研发计划（2022YFA1205804）和广州国家实验室重大项目（GZNL2024A01007）支持。