磁性纳米复合材料辅助的RNA分离：一种用于法医分子诊断的纳米生物技术方法

《Forensic Science International》：Magnetic Nanocomposite-Assisted RNA Isolation: A Nanobiotechnological Approach for Forensic Molecular Diagnostics

纳米磁性复合材料辅助法医RNA提取技术研究及其优势分析。采用溶胶-凝胶自燃法合成NiFe?O?@ZnO纳米复合材料，通过SEM、XRD、FTIR表征证实其结构稳定性。实验对比显示，该纳米材料在RNA提取中具有更高纯度（提升23%）、更优结构完整性和更短反应时间（减少40%），且避免使用有毒化学试剂，显著改善微量或降解样本的检测效果，为法医分子生物学提供创新解决方案。

　　

Rutuja Sandeep Prabhudessai|Sandeep Munjal|Inder Bhan Singh

印度果阿校区国家法医科学大学

摘要

法医学运用科学方法来调查犯罪并解读证据材料。在众多分支中，生物技术已成为一个关键学科，它使得DNA分析、亲子鉴定和组织识别成为可能。然而，传统的分子生物学方法，尤其是在提取核糖核酸（RNA）方面，仍然受到耗时过程、化学毒性和易降解性的限制。本研究探讨了将生物技术与纳米技术（即纳米生物技术）结合，通过使用磁性纳米复合材料来提高RNA提取效率的方法。采用溶胶-凝胶自燃烧法制备了NiFe?O?@ZnO纳米复合材料，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其进行了表征。随后将该复合材料用于从生物组织中提取RNA，并与传统TRI试剂方法进行了产量、纯度和结构完整性的比较。结果表明，纳米复合材料辅助的提取方法更快、更安全、更高效，这凸显了其在需要从微量或降解样本中恢复高质量RNA的法医调查中的潜在应用价值。

引言

“法医学”这一概念源于法庭案件、辩论和公共讨论。科学基于测试、实验和可重复验证。法医学是利用材料科学分析物品以确定犯罪行为和实现正义的学科[1]。这种正义的实现机制包括法庭和法医科学工作。为了确保公正判决，需要一种平衡情感与科学逻辑的方法。法医学提供了无偏见且可靠的证据来达到正义[2]。该学科涉及强奸、谋杀、网络犯罪和民事案件等犯罪行为，其基础领域包括人体测量学、计算机科学、DNA分析、脑部成像和指纹识别[3]。

与其他法医学分支类似，法医遗传学也是一个跨学科领域。随着技术的发展，法医遗传学研究支持了多种研究，特别是在使用生物证据进行刑事诉讼方面。随着人类基因组计划的开展，法医DNA检测技术得以发展，此后法医科学方法不断被创建、验证和应用。然而，DNA检测仅在特定情况下（如性侵犯）有助于将嫌疑人与犯罪现场发现的证据联系起来，无法进一步反驳嫌疑人的主张。而RNA检测则是一种可靠的技术，可以确定证据的类型、来源和特征，从而加强嫌疑人与收集数据之间的关联，并提供更多关于指控的细节[5]。

Oehmichen在1984年发表的一篇关于死后DNA和RNA生物合成的文章中首次提到了从死后组织中提取RNA的内容。此后，人们对mRNA的分析及其在法医学应用中的潜力产生了浓厚兴趣，尤其是在处理各种具体情境问题时。基于RNA的痕量类型鉴定原理是检测生物样本中特定类型RNA的方法，例如仅在某种特定类型细胞中转录的RNA。这种方法相比传统的（免疫）化学方法具有更高的特异性、灵敏度，以及有效分析复杂痕量元素组合的能力。此外，基于RNA的方法还可以精确检测以前无法检测的体液（如阴道或直肠分泌物）[6]。

高质量核糖核酸（RNA）的提取是分子生物学领域中一个基本且至关重要的步骤。由于RNA能够进行转录组分析，并提供大多数环境条件下的基因调控信息，因此它是基因表达研究的关键要素[7]。与DNA提取相比，RNA提取过程更为复杂和严格，主要是因为RNA容易被普遍存在的核糖核酸酶降解。

为了解决传统RNA提取技术的局限性，磁性纳米技术作为一种高效且有前景的替代策略应运而生，主要用于分离和纯化各种生物分子，其中RNA提取是其主要应用之一。这种创新方法利用了磁性纳米颗粒（MNPs）的独特物理性质，相比传统方法具有多项优势。由于MNPs具有高体积与表面积比、可磁控分散和聚集的能力以及高结合效率，因此能够快速高效地结合生物分子。此外，MNPs的聚集和分散过程是可控的，且结合反应是可逆的[6]、[8]、[9]。

本研究提出了一种利用磁性纳米颗粒高效提取RNA的方法，该方法劳动强度较低，能减少健康风险，并能产生有效量的RNA，同时与传统方法进行了对比，并通过琼脂糖凝胶电泳进行了验证。

材料

本实验选择了从果阿Upper Bazar Ponda的肉店购买的鸡肝样本。

能量色散X射线光谱（EDX）表征

为了确定NiFe?O?纳米颗粒和NiFe?O?@ZnO纳米复合材料的元素组成，采用了EDX表征方法。结果显示，NiFe?O?纳米颗粒中镍的重量百分比为25.5%，铁为47.3%，氧为57.6%；而在NiFe?O?@ZnO纳米复合材料中，镍的重量百分比为20.5%，铁为38.6%，氧为26.2%，锌为14.7%，具体数据见表1和表2。

讨论

本研究成功制备了一种能够高效从生物样本中提取RNA的纳米复合材料。由于其快速性、多功能性和兼容性，这种方法被证明是非常有用的，其技术手段可为解决多种案件提供帮助，并加快法律程序，确保正义的实现。而传统方法中使用有害化学物质可能会引发皮肤刺激等健康问题。

结论

当前研究表明，将基于磁性纳米复合材料的RNA提取技术整合到法医分子工作流程中是很有意义的。合成的NiFe?O?@ZnO纳米复合材料在产量、纯度、结构完整性、安全性和操作简便性方面均优于传统的TRI方法。

研究结果再次证实了法医学的一个原则：痕量物质回收方法的创新必须建立在……的基础上

CRediT作者贡献声明

Inder Bhan Singh：撰写——审稿与编辑、监督、方法设计、概念构建。Rutuja Sandeep Prabhudessai：撰写——初稿撰写、数据可视化、验证、方法设计、实验实施。Sandeep Munjal：验证、监督、方法设计、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度果阿校区国家法医科学大学（NFSU）的多学科研究与创新中心（MRIC）及法医生物学与生物技术实验室提供的必要实验室设施和技术支持。特别感谢实验室负责人（Lokesh Chauhan博士和Shweta Nidhi博士）在合成、表征和分析工作方面的合作与专业协助。