CN107064258B - 基于dna产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定her2的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,该方法是将HER2特异性多肽通过Au‑S键修饰在金电极表面用于捕获HER2,将HER2及HER2适配体以夹心形式固定在电极上后,利用HER2适配体上的引物端触发两条互补的单链DNA自组装成一条长的双链DNA结构,再利用钼酸钠与DNA骨架上的磷酸基团反应,生成磷钼酸盐沉淀产生电信号,且电信号的大小与电极表面DNA的量成正比的原理,实现人类表皮生长因子HER2的快速、准确、高灵敏度检测,该电化学适配体传感器成本低,且无需标记的,有利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种构建超灵敏的电化学适配体传感器用于检测人类表皮生长因子受体(HER2)的方法,特别涉及一种基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器用于测定人类表皮生长因子受体HER2的方法,属于生物传感技术领域。
背景技术
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一,数据显示,美国12%的女性在其一生中将患上乳腺癌。最集中研究的乳腺癌基因是HER2基因,又称为CerbB-2基因,其在25-30%的乳腺癌患者过表达,使得HER2成为最常见的乳腺癌标志物。正常人血清中HER2含量约为2~15ng/mL,乳腺癌患者血清中的HER2约为15~75ng/mL,而且HER2是重要的乳腺癌预后判断因子,HER2阳性(扩增或过表达)的乳腺癌,肿瘤细胞侵袭性强,复发和转移相对较快,通常采用抗HER2靶向治疗使得HER2阳性的预后水平接近HER2阴性,提高生存几率,因此快速准确地检测HER2并确定其状态对乳腺癌患者治疗方案的选择非常重要。临床检测HER2的方法有免疫组化学(IHC)与荧光原位杂交(FISH),其中IHC检测HER2蛋白的数量,而FISH则检测HER2基因的扩增。然而IHC和FISH的进行需要活组织切片样本、专业和特定的仪器,耗时长、价格昂贵,因此建立一种简单、快速、灵敏、准确的HER2检测方法具有重要的意义。
核酸适配体(aptamer)是一条具有高特异性和强亲和力的核酸片段,可以取代传统的抗体,在生物传感和生物医学领域引起了广泛的关注。适配体一般通过指数富集的配基***进化技术(SELEX)进行筛选,然后用固相合成法来合成。aptamer一般作为适配体传感器的识别探针,可以识别并特异性地同目标物质相结合,包括多肽、蛋白质,小分子甚至细胞等。为了提高适配体传感器的灵敏度,科学工作者开发了大量的核酸扩增技术,比如聚合酶联反应(PCR),滚环扩增技术(RCA),链替代扩增技术(SDA)和DNA自组装等。其中只有DNA自组装不需要酶的参与,且能够组装成特定的结构。单链DNA的自组装是由碱基对形成时产生的自由能驱动,再由引物链触发的类似于生物体内链聚合的连锁反应,而且一维形貌是最小的结构并能够促进电子的传递。
最近,有报道DNA骨架上的磷酸根同钼酸盐反应生成磷钼酸盐沉淀可以产生电信号,但还未见利用该原理构建了一种基于DNA产生电信号及自组装放大信号的超灵敏的电化学适配体传感器来检测HER2的相关报道。
发明内容
针对现有的检测HER2的方法存在的不足,本发明的目的是在于提供一种灵敏度高、成本低,且无需标记的电化学适配体传感器来检测人类表皮生长因子HER2的方法。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,该方法包括以下步骤:
1)将金电极表面活化处理后,修饰HER2特异性多肽,再采用巯基己醇封闭;
2)在所述金电极表面滴加HER2标准溶液,使HER2与HER2特异性多肽特异性结合,再将HER2适配体修饰在HER2上,形成夹心结构;再利用HER2适配体包含的小段DNA触发两条互补的单链DNA在所述金电极表面进行自组装形成双链DNA;再在所述金电极表面滴加Na2MoO4溶液进行反应,烘干,对金电极通过方波伏安法进行测试,得到峰电流值;
3)取一系列不同浓度的HER2标准溶液,按步骤2)进行操作,得到与各浓度的HER2标准溶液相对应的峰电流值,建立HER2浓度与峰电流值的标准曲线;
4)将HER2待测溶液替换步骤2)中的HER2标准溶液,按步骤2)进行操作,得到峰电流值,再根据标准曲线计算HER2待测溶液浓度。
优选的方案,金电极表面活化处理的过程为:将金电极依次采用氢氧化钠溶液和Piranha溶液活化处理。
较优选的方案,金电极采用氢氧化钠溶液活化处理过程为:将金电极置于0.08~0.12M的NaOH溶液中,通过循环伏安法,在-1.5~0.6V的电压区间内扫循环伏安曲线20~40圈,扫描速率为0.5~1.5V/s,得到平滑稳定的扫描曲线。
较优选的方案,金电极采用Piranha溶液活化处理过程为:将金电极置于Piranha溶液中,浸泡5~10分钟。Piranha溶液优选为由30wt%双氧水和浓硫酸按1:3体积比组成。
优选的方案,在4~25℃温度下,将金电极在HER2特异性多肽溶液中浸泡8~12h,用水清洗金电极后,再将金电极置于巯基己醇溶液中浸泡1~1.5小时。
优选的方案,将HER2标准溶液滴加到金电极表面,在4~25℃条件下反应1~2个小时;再将HER2适配体滴加到金电极表面,在4~25℃条件下反应1~2个小时;再将含两条互补单链DNA的溶液滴加到金电极表面,在35~39℃条件下反应3~4个小时;再将Na2MoO4溶液滴加到金电极表面,反应10~20分钟。
较优选的方案,所述HER2适配体碱基序列为:GCAGCGGTGTGGGGTATCGTTAATTCGGTCG。
较优选的方案,所述两条互补单链DNA的碱基序列分别为:ATAGCAATTAAGCCAGCCAGGTTCGGTGCAT和GCTGGCTTAATTGCTATATGCACCGAACCTG。
优选的方案,方波伏安法是在H2SO4溶液中,在0.1~0.45V的电势范围内进行方波伏安曲线的测定。硫酸溶液为稀硫酸溶液,优选浓度为0.5M的稀硫酸溶液。
优选的方案,一系列不同浓度的HER2标准溶液为浓度分别为0pg/mL、1pg/mL、5pg/mL、10pg/mL、25pg/mL、50pg/mL、100pg/mL和200pg/mL的HER2标准溶液。
本发明的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定人类表皮生长因子HER2的方法,包括以下具体步骤:
(1)处理金电极:准备多根金电极,分别用氢氧化钠(NaOH)、Piranha溶液处理后,再用抛光粉抛光,清洗,吹干备用;
(2)构建核酸适配体传感器:利用Au-S键将HER2特异性多肽(CKLRLEWNR,上海吉尔生化合成并纯化)修饰在金电极表面,用巯基己醇(MCH)进行封闭,消除非特异性吸附,将HER2标准溶液滴加在金电极表面使其与HER2特异性多肽相结合,再将aptamer(HER2适配体,上海生工合成并纯化)修饰在HER2上形成夹心结构,aptamer另一端的一小段DNA触发两条互补的单链DNA(上海生工合成并纯化)在金电极表面进行自组装,形成一条长的双链DNA;然后将Na2MoO4溶液滴加在金电极表面,反应后,烘干,分别对金电极进行方波伏安法测试;
(3)适配体传感器测定HER2:选取一组不同浓度的HER2标准溶液按上述步骤(2)中构建电化学适配体传感器,并进行测定,根据方波伏安曲线得到的峰电流与每根金电极上对应的HER2标准溶液的浓度,做标准曲线;
(4)适配体传感器测定乳腺癌病人血清中的HER2:将病人血清稀释2000倍代替HER2标准溶液,分别按上述步骤(2)中构建电化学适配体传感器,并进行测定,再根据测得的电流依据标准曲线计算不同病人血清中HER2的量。
本发明的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器及其用于测定人类表皮生长因子HER2的原理:如图1所示,HER2特异性多肽通过Au-S键修饰在金电极表面,接着HER2蛋白及其核酸适配体以夹心形式固定在电极上,然后核酸适配体上的引物端触发两条互补的单链DNA自组装成一条长的一维纳米结构。钼酸钠与DNA骨架上的磷酸基团在酸性环境下反应,生成磷钼酸盐(PMo12O40 3-)沉淀产生电信号,且电信号的大小与电极表面DNA的量成正比。
与现有技术相比,本发明的的技术方案带来的有益技术效果在于:
(1)本发明采用双功能的核酸适配体,既能够作为识别探针来特异性结合HER2,又可以作为电化学信号输出探针,使得构建的适配体传感器无需标记,操作过程简单。
(2)本发明采用了DNA自组装来放大信号,无需酶的参与,DNA自组装可以组装成结构最小、能够促进电子传递的DNA一维结构,使得灵敏度大大提高。
(3)本发明可以直接测定病人血清中的HER2,克服IHC和FISH需要活组织切片样本、专业和特定的仪器的不足,而且本发明测得的数据与临床IHC测得的结果基本吻合。
(4)本发明的方法操作简单、灵敏度高、这为临床乳腺癌的早期诊断及治疗方案的选择提供了更加便捷的思路。
附图说明
【图1】为本发明构建的超灵敏电化学适配体传感器测定HER2的原理示意图。
【图2】为本发明实例中可行性实验图,(A)为循环伏安图:(a)裸电极,(b)0.1ng/mLHER2自组装前,(c)0.1ng/mL HER2自组装后;(B)为方波伏安图:(a)裸电极,(b)0.01ng/mLHER2自组装前,(c)0.1ng/mL HER2自组装前,(d)0.1ng/mL HER2自组装后。
【图3】为本发明实例中不同浓度的HER2电化学响应信号图。
【图4】为本发明实例中浓度范围为1pg/mL~100pg/mL HER2的标准曲线图。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容,而不是限制本发明权利要求的保护范围。
实施例1
(1)金电极活化处理:准备多根金电极,先用浓度为0.1M的NaOH溶液在-1.5~0.6V的电压区间内扫环伏安曲线20圈,扫描速率为1V/s得到平滑稳定的扫描曲线,然后将金电极置于Piranha溶液(30%的过氧化氢和浓硫酸以1:3的体积比混合)浸泡5分钟,再将电极用抛光粉抛光,分别用去乙醇和离子水超声清洗各2分钟,用氮气吹干备用;
(2)将处理干净的金电极浸泡在40μL,浓度为50μg/mL的HER2特异性多肽(CKLRLEWNR)溶液中,在4℃的冰箱中过夜,用去离子水洗掉未修饰在电极上的HER2特异性多肽,再浸入40μL,浓度为1mM的巯基己醇封闭1.5个小时,以减少非特异性吸附,然后将5μLHER2标准溶液滴加到电极表面在4℃的条件下反应2个小时,使得HER2同HER2特异性多肽充分结合,再将5μL,浓度为50μM的HER2适配体(连接着自组装引物链的HER2的适配体,碱基序列为:GCAGCGGTGTGGGGTATCGTTAATTCGGTCG,其中TATCGTTAATTCGGTCG部分为引物链)滴加在电极上,同样在4℃的条件下反应2个小时,形成三明治夹心结构,用去离子水彻底清洗,除去多余的HER2适配体,接着,将5μL用DNA杂交缓冲液(10mM三羟甲基氨基甲烷盐酸盐,Tris-HCl;1mM乙二胺四乙酸,EDTA;1mM氯化镁溶液,MgCl2;pH为7.4)稀释的50μM互补单链DNA(S1碱基序列为:ATAGCAATTAAGCCAGCCAGGTTCGGTGCAT;S2碱基序列为:GCTGGCTTAATTGCTATATGCACCGAACCTG)滴加在电极表面,在37℃水浴4个小时完成DNA自组装,再将5μL,5mM的Na2MoO4滴加在电极表面充分反应15分钟形成具有电信号的磷钼酸盐沉淀,最后在0.5M H2SO4溶液中在0.1~0.45V的电势范围内进行循环伏安曲线和方波伏安曲线的测定。
(3)适配体传感器测定HER2:取一系列不同浓度的HER2标准溶液,分别为0、1、5、10、25、50、100、200pg/mL在上述步骤(2)中构建电化学适配体传感器,然后根据方波伏安曲线得到的峰电流与每根金电极上对应的HER2浓度做标准曲线,其中线性相关系数R2=0.99878;
(4)将1、2、3、4号乳腺癌病人的血清稀释2000倍,5和6号非乳腺癌病人血清稀释1000倍,代替标准品HER2,分别在上述步骤(2)中构建的电化学适配体传感器上进行测定,根据测得的电流依据标准曲线计算不同病人血清中HER2的量。
表1为本发明实例中用ELISA试剂盒及电化学适配体传感器测定病人血清中HER2的结果比较。
Claims (7)
1.基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)将金电极表面活化处理后,修饰HER2特异性多肽,再采用巯基己醇封闭;
2)在所述金电极表面滴加HER2标准溶液,使HER2与其特异性多肽结合,再将HER2适配体修饰在电极上,形成夹心结构;再利用HER2适配体包含的小段DNA触发两条互补的单链DNA在所述金电极表面进行自组装形成双链DNA;再在所述金电极表面滴加Na2MoO4溶液进行反应,烘干,对金电极通过方波伏安法进行测试,得到峰电流值;
3)取一系列不同浓度的HER2标准溶液,按步骤2)进行操作,得到与各浓度的HER2标准溶液相对应的峰电流值,建立HER2浓度与峰电流值的标准曲线;
4)将HER2待测溶液替换步骤2)中的HER2标准溶液,按步骤2)进行操作,得到峰电流值,再根据标准曲线计算HER2待测溶液浓度;所述HER2适配体碱基序列为:GCAGCGGTGTGGGGTATCGTTAATTCGGTCG;所述两条互补单链DNA的碱基序列分别为:ATAGCAATTAAGCCAGCCAGGTTCGGTGCAT和GCTGGCT TAATTGCTATATGCACCGAACCTG。
2.根据权利要求1所述的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:金电极表面活化处理的过程为:将金电极依次采用氢氧化钠溶液和Piranha溶液活化处理。
3.根据权利要求2所述的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:金电极采用氢氧化钠溶液活化处理过程为:将金电极置于0.08~0.12M的NaOH溶液中,通过循环伏安法,在-1.5~0.6V的电压区间内扫循环伏安曲线20~40圈,扫描速率为0.5~1.5V/s,得到平滑稳定的扫描曲线;
金电极采用Piranha溶液活化处理过程为:将金电极置于Piranha溶液中,浸泡5~10分钟。
4.根据权利要求1所述的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:在4~25℃温度下,将金电极在HER2特异性多肽溶液中浸泡8~12h,用水清洗金电极后,再将金电极置于巯基己醇溶液中浸泡1~1.5小时。
5.根据权利要求1所述的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:将HER2标准溶液滴加到金电极表面,在4~25℃条件下反应1~2个小时;再将HER2适配体溶液滴加到金电极表面,在4~25℃条件下反应1~2个小时;再将含两条互补单链DNA的溶液滴加到金电极表面,在35~39℃条件下反应3~4个小时;再将Na2MoO4溶液滴加到金电极表面,反应10~20分钟。
6.根据权利要求1所述的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:方波伏安法是在H2SO4溶液中,在0.1~0.45V的电势范围内进行方波伏安曲线的测定。
7.根据权利要求1所述的基于DNA产生电信号及其自组装放大信号的电化学适配体传感器测定HER2的方法,其特征在于:一系列不同浓度的HER2标准溶液为浓度分别为0pg/mL、1pg/mL、5pg/mL、10pg/mL、25pg/mL、50pg/mL、100pg/mL和200pg/mLHER2标准溶液。
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