CN113624823A - 基于四面体纳米结构dna的信号探针、其制备方法和用途 - Google Patents

基于四面体纳米结构dna的信号探针、其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于四面体纳米结构DNA的信号探针及其制备方法和用途，所述信号探针包括：正置四面体纳米结构DNA和复合物，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有所述生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交；所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合。本申请中的探针用于实现对循环肿瘤细胞的识别、捕获及检测，不仅降低了成本，而且检测高效、稳定，而且依据这一技术进行的诊断方法具有很高的应用价值。

Description

基于四面体纳米结构DNA的信号探针、其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及生物技术领域，特别是涉及一种基于四面体纳米结构DNA的信号探针及其制备方法和用途。
背景技术
恶性肿瘤在国内外都是一种死亡率很高的疾病，对社会经济发展的不良影响越来越显著。目前传统的肿瘤诊断和监控手段主要有影像学检查、穿刺病理学活检及传统的血液肿瘤标记物检测等。但是影像学检查对操作者有较高的要求，且通常仅对1cm以上的肿瘤才具有较好的区分能力；细胞学或组织学穿刺活检具有创伤性，导致患者接受度低；传统的血液肿瘤标记物检测由于缺乏可靠的标志物，导致结果准确性不高。循环肿瘤细胞(Circulating tumor cells,CTCs)是由来自实体瘤原发灶火转移灶的肿瘤细胞，自发或由于诊疗操作导致脱离基底膜从而进入外周血或骨髓的肿瘤细胞与肿瘤早期筛查、辅助分期、个性化用药、预后评估及复发转移预警等有密切联系，但血液中CTCs的极低含量带来了捕获检测的极大困难。
随着科技发展，检验医学出现了发展的新趋势，一方面高度集成和大型自动化检验仪器的相继问世，极大地拓宽了临床检验的范围，提高了工作效率，使免疫化学检验提高到了新水平；另一方面简单和集成的生物传感器检测技术迅速发展。由于自动化仪器分析前后有许多复杂的步骤，需要耗费大量的时间，不能快速获得检测结果，于是小型化、操作简单和快速的即时检验技术引起了人们的关注。其特点是把复杂的操作变得简单，把繁琐的设备变得小巧便携，能够快速获得检测结果。
生物传感器是指由生物活性材料和相应的换能器构成，能测定特定的化学或生物物质的一类传感器。电化学生物传感器作为生物传感器的一种，通常以离子选择性电极、气敏电极或者固体电极等基础电极作为转换元件所构成一类生物传感器，换能器将分子识别所产生的化学或者生物信息转换成电信号，如电流、电压、电阻，信号再经放大输出。其具有分析速度快、易于微型化、灵敏度高、操作简单以及能够实现实时在线监测等独特的优越性，因而广泛应用于临床检验、食品质量控制、工业分析、环境监测和药品分析等多个领域。近年来与生物学、信息学、医学以及材料学等学科领域交叉融合，电化学传感器的研究已经逐渐成为近代电分析化学研究中的研究热点之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于四面体纳米结构DNA的信号探针及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题，以实现对循环肿瘤细胞的捕获及检测，以进行低成本、高效检测，并得到稳定、具有应用价值的诊断标准。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。
本发明第一方面提供一种基于四面体纳米结构DNA的信号探针，所述信号探针包括：正置四面体纳米结构DNA和复合物，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交；所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合。
优选地，所述正置四面体纳米结构DNA中的四面体边长可以通过调整DNA碱基配对数来改变其长度。更优选地，所述正置四面体纳米结构DNA中的四面体的边长是由17对碱基互补配对形成。
优选地，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链。
优选地，所述正置四面体纳米结构DNA中B1、C1和D1三条链中5'修饰有巯基。
优选地，所述正置四面体纳米结构DNA中A1单链中3'在顶点延伸出来一段第一DNA识别序列，所述第一DNA识别序列与倒置四面体纳米结构DNA中的其中一个顶点上延伸出的DNA识别序列互补。
优选地，所述正置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
更优选地，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ ID NO.3以及SEQ ID NO.4所示。
优选地，A1：
5'-ACATTCCTAAGTCTGAAACATTACAGCTTGCTACACGAGAAGAGCCGCCATAGTATTTTTTTTTTTCAACATCAGTCTGATAAGC-3'。(SEQ ID NO.1)
优选地，B1：
5'-TATCACCAGGCAGTTGACAGTGTAGCAAGCTGTAATAGATGCGAGGGTCCAATAC-3'。(SEQ IDNO.2)
优选地，C1:
5'-TCAACTGCCTGGTGATAAAACGACACTACGTGGGAATCTACTATGGCGGCTCTTC-3'。(SEQ IDNO.3)
优选地，D1：
5'-TTCAGACTTAGGAATGTGCTTCCCACGTAGTGTCGTTTGTATTGGACCCTCGCAT-3'。(SEQ IDNO.4)
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA中的四面体边长可以通过调整DNA碱基配对数来改变其长度。更优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA中四面体的边长是由17对碱基互补配对形成。优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA中B2、C2和D2三条链中3'分别在顶点延伸出来一段第二DNA识别序列，所述第二DNA识别序列与核酸适配体3'的DNA识别序列互补。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA中A2单链中3'在顶点延伸出来一段第三DNA识别序列，所述第三DNA识别序列与所述第一DNA识别序列碱基互补。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQ ID NO.8所示。
优选地，A2：
5'-ACATTCCTAAGTCTGAAACATTACAGCTTGCTACACGAGAAGAGCCGCCATAGTATTTTTTTTTTGCTTATCAGACTGATGTTGA-3'。(SEQ ID NO.5)
优选地，B2:
5'-TATCACCAGGCAGTTGACAGTGTAGCAAGCTGTAATAGATGCGAGGGTCCAATACCTGACCACGAGCTCCATTAC-3'。(SEQ ID NO.6)
优选地，C2：
5'-TCAACTGCCTGGTGATAAAACGACACTACGTGGGAATCTACTATGGCGGCTCTTCCTGACCACGAGCTCCATTAC-3'。(SEQ ID NO.7)
优选地，D2：
5'-TTCAGACTTAGGAATGTGCTTCCCACGTAGTGTCGTTTGTATTGGACCCTCGCATCTGACCACGAGCTCCATTAC-3'。(SEQ ID NO.8)
优选地，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
优选地，核算适配体的核苷酸序列为：
5'-CACTACAGAGGTTGCGTCTGTCCCACGTTGTCATGGGGGGTTGGCCTGTTTTTGTAATGGAGCTCGTGGTCAG-3'。(SEQ ID NO.9)
优选地，所述生物素修饰的核酸适配体是指核酸适配体的3'和5'均连接有生物素。
本发明第二方面还公开了一种电化学检测方法，包括如下步骤：
1)将待测循环肿瘤细胞与复合物一起孵育，得到结合有复合物的待测循环肿瘤细胞；
将正置四面体纳米结构DNA修饰在工作电极表面；
2)使正置四面体纳米结构DNA和复合物中的倒置四面体纳米结构DNA杂交，以将循环肿瘤细胞捕获在工作电极上；
3)加入氧化还原酶和相应的底物，进行电化学检测。
优选地，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交连接。
优选地，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ ID NO.3以及SEQ ID NO.4所示。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQ ID NO.8所示。
优选地，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
优选地，正置四面体纳米结构DNA通过Au-S键修饰在所述基底电极表面。
优选地，采用恒电位沉积法将氯金酸直接还原成纳米金并修饰于基底电极上，然后与正置四面体纳米结构DNA键合。
优选地，所述工作电极为碳电极。
优选地，所述工作电极为丝网印刷电极。更优选地，所述丝网印刷电极为多通道丝网印刷电极。
本发明第三方面还公开了如上述所述的基于四面体纳米结构DNA的信号探针在循环肿瘤细胞检测中的应用。
本发明第四方面还公开了正置四面体纳米结构DNA和复合物在制备信号探针中的用途。
本发明第五方面还公开了一种电化学生物传感器，包括工作电极、正置四面体纳米结构DNA和复合物，所述正置四面体纳米结构DNA修饰在所述工作电极上；所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交。
优选地，所述所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ ID NO.3以及SEQ ID NO.4所示。
优选地，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQ ID NO.8所示。
优选地，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
优选地，所述电化学生物传感器还包括参比电极和对电极。
本发明还公开了如上述所述的电化学生物传感器用于检测循环肿瘤细胞的用途。
本申请中上述检测为非疾病诊断目的的检测方法。
DNA不仅是遗传信息的承载者，还是天然的纳米材料和结构元件，具有超强的编码和自组装能力。四面体纳米结构DNA支架具有刚性结构，有助于顶端探针保持更好的竖直方向性，且四面体的存在使纵向和横向的距离可以通过四面体的大小进行简便的调控。四面体纳米结构DNA顶点还可结合多个配体分子或信号分子，实现多价捕获及信号扩增，再将反应产物的化学信号与电信号进行转换，再根据所检测的电信号转换成目标待测物浓度的关系，实现检测。
本申请中申请人正是基于上述这一构思构建了一种具有DNA双四面体纳米结构的信号探针、工作电极和电化学生物传感器，用于实现对循环肿瘤细胞的识别、捕获及检测，不仅降低了成本，而且检测高效、稳定，而且依据这一技术进行的诊断方法具有很高的应用价值。
附图说明
图1显示为采用琼脂糖凝胶电泳的测试，以证明双四面体纳米结构DNA合成。
图2显示为采用荧光显微镜对复合物对目标循环肿瘤细胞的亲和性效果示意图。
图3显示为采用不同探针修饰的丝网印刷电极对循环肿瘤细胞的检测，获得的电流时间曲线。
图4显示为本申请技术方案中双四面体纳米结构DNA修饰的丝网印刷电极对不同MCF-7细胞个数检测时对应的电流信号变化曲线。
图5显示为本申请技术方案中双四面体纳米结构DNA修饰的丝网印刷电极检测不同细胞时的电流信号值。
图6显示为本申请技术方案中双四面体纳米结构DNA修饰的丝网印刷电极检测含有Hela细胞的不同浓度的MCF-7细胞时对应的电流信号变化曲线。
图7显示为本申请技术方案中双四面体纳米结构DNA修饰的丝网印刷电极检测全血样本中MCF-7目标细胞时对应的电流信号值。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
DNA不仅是遗传信息的承载者，还是天然的纳米材料和结构元件，具有超强的编码和自组装能力。四面体纳米结构DNA支架具有刚性结构，有助于顶端探针保持更好的竖直方向性，且四面体的存在使纵向和横向的距离可以通过四面体的大小进行简便的调控。四面体纳米结构DNA顶点还可结合多个配体分子或信号分子，实现多价捕获及信号扩增，再将反应产物的化学信号与电信号进行转换，再根据所检测的电信号转换成目标待测物浓度的关系，实现检测。本申请中申请人正是基于这一构思构建了一种能够形成双DNA双四面体纳米结构的信号探针及电化学生物传感器，用于实现对循环肿瘤细胞的捕获及检测，不仅降低了成本，而且检测高效、稳定，依据这一技术进行的诊断方法具有很高的应用价值。
本申请实施例中，申请人具体提供一种基于四面体纳米结构DNA的信号探针，所述信号探针包括：正置四面体纳米结构DNA和复合物，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交；所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合。
在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA中的四面体边长可以通过调整DNA碱基配对数来改变其长度。在一个更具体的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA中的四面体的边长是由17对碱基互补配对形成。
所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链。
在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA中B1、C1和D1三条链中5'修饰有巯基。
在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA中A1单链中3'在顶点延伸出来一段第一DNA识别序列，所述第一DNA识别序列与倒置四面体纳米结构DNA中的其中一个顶点上延伸出的DNA识别序列互补。
在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ ID NO.3以及SEQ ID NO.4所示。
具体地，A1：
5'-ACATTCCTAAGTCTGAAACATTACAGCTTGCTACACGAGAAGAGCCGCCATAGTATTTTTTTTTTTCAACATCAGTCTGATAAGC-3'。(SEQ ID NO.1)
具体地，B1：
5'-TATCACCAGGCAGTTGACAGTGTAGCAAGCTGTAATAGATGCGAGGGTCCAATAC-3'。(SEQ IDNO.2)
具体地，C1:
5'-TCAACTGCCTGGTGATAAAACGACACTACGTGGGAATCTACTATGGCGGCTCTTC-3'。(SEQ IDNO.3)
具体地，D1：
5'-TTCAGACTTAGGAATGTGCTTCCCACGTAGTGTCGTTTGTATTGGACCCTCGCAT-3'。(SEQ IDNO.4)
在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链。
在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中的四面体边长可以通过调整DNA碱基配对数来改变其长度。
在一个更优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中四面体的边长是由17对碱基互补配对形成。
在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中B2、C2和D2三条链中3'分别在顶点延伸出来一段第二DNA识别序列，所述第二DNA识别序列与核酸适配体3'的DNA识别序列互补。
在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中A2单链中3'在顶点延伸出来一段第三DNA识别序列，所述第三DNA识别序列与所述第一DNA识别序列碱基互补。
在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQ ID NO.8所示。
具体地，A2：
5'-ACATTCCTAAGTCTGAAACATTACAGCTTGCTACACGAGAAGAGCCGCCATAGTATTTTTTTTTTGCTTATCAGACTGATGTTGA-3'。(SEQ ID NO.5)
具体地，B2:
5'-TATCACCAGGCAGTTGACAGTGTAGCAAGCTGTAATAGATGCGAGGGTCCAATACCTGACCACGAGCTCCATTAC-3'。(SEQ ID NO.6)
具体地，C2：
5'-TCAACTGCCTGGTGATAAAACGACACTACGTGGGAATCTACTATGGCGGCTCTTCCTGACCACGAGCTCCATTAC-3'。(SEQ ID NO.7)
具体地，D2：
5'-TTCAGACTTAGGAATGTGCTTCCCACGTAGTGTCGTTTGTATTGGACCCTCGCATCTGACCACGAGCTCCATTAC-3'。(SEQ ID NO.8)
在一个优选的实施方式中，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ IDNO.9所示。
具体地，核算适配体的核苷酸序列为：
5'-CACTACAGAGGTTGCGTCTGTCCCACGTTGTCATGGGGGGTTGGCCTGTTTTTGTAATGGAGCTCGTGGTCAG-3'。(SEQ ID NO.9)
在一个优选的实施方式中，所述生物素修饰的核酸适配体是指核酸适配体的3'和5'均连接有生物素。
本申请实施例中，申请人还具体提供了一种电化学生物检测方法，包括如下步骤：
1)将待测循环肿瘤细胞与复合物一起孵育，得到结合有复合物的待测循环肿瘤细胞；
将正置四面体纳米结构DNA修饰在工作电极表面；
2)使正置四面体纳米结构DNA和复合物中的倒置四面体纳米结构DNA杂交，以将循环肿瘤细胞捕获在工作电极上；
3)加入氧化还原酶和相应的底物，进行电化学检测。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有所述生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交连接。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ IDNO.3以及SEQ ID NO.4所示。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ IDNO.7以及SEQ ID NO.8所示。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，正置四面体纳米结构DNA通过Au-S键修饰在所述工作电极表面。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述工作电极为碳电极。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述工作电极为丝网印刷电极。在一个更优选的实施方式中，所述丝网印刷电极为多通道丝网印刷电极。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，采用恒电位沉积法将氯金酸直接还原成纳米金并修饰于工作电极上，然后与正置四面体纳米结构DNA键合。
对于上述电化学生物检测方法，在一个优选的实施方式中，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示
本申请实施例中，申请人还提供一种电化学生物传感器，包括工作电极、正置四面体纳米结构DNA和复合物；所述正置四面体纳米结构DNA修饰在所述工作电极上；所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交。
对于上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述电化学生物传感器还包括参比电极和对电极。
对于上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，正置四面体纳米结构DNA通过Au-S键修饰在所述工作电极表面。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述工作电极为碳电极。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述工作电极为丝网印刷电极。如本申请具体实施方式中具体采用16通道丝网印刷电极。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，采用恒电位沉积法将氯金酸直接还原成纳米金并修饰于工作电极上，然后与正置四面体纳米结构DNA键合。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA中B1、C1和D1三条链中5'修饰有巯基。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA中A1单链中3'在顶点延伸出来一段第一DNA识别序列，所述第一DNA识别序列与倒置四面体纳米结构DNA中的其中一个顶点上延伸出的DNA识别序列互补。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
上述所述的电化学生物传感器，在一个更优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQID NO.3以及SEQ ID NO.4所示。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中的四面体边长可以通过调整DNA碱基配对数来改变其长度。
上述所述的电化学生物传感器，在一个更优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中四面体的边长是由17对碱基互补配对形成。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中B2、C2和D2三条链中3'分别在顶点延伸出来一段第二DNA识别序列，所述第二DNA识别序列与核酸适配体3'的DNA识别序列互补。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA中A2单链中3'在顶点延伸出来一段第三DNA识别序列，所述第三DNA识别序列与所述第一DNA识别序列碱基互补。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
上述所述的电化学生物传感器，在一个更优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQID NO.7以及SEQ ID NO.8所示。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
上述所述的电化学生物传感器，在一个优选的实施方式中，所述生物素修饰的核酸适配体是指核酸适配体的3'和5'均连接有生物素。
本申请中还公开了如上述所述的信号探针或如上述所述的电化学生物检传感器用于检测循环肿瘤细胞的用途。
本申请中上述检测为非疾病诊断目的的检测方法。
本申请具体实施方式中，正置四面体纳米结构DNA的制备方法为：将形成正置四面体纳米结构DNA的四条单链自组装。在一个优选的实施方式中，所述正置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
本申请具体实施方式中，倒置四面体纳米结构DNA的制备方法为：将形成倒置四面体纳米结构DNA的四条单链自组装。在一个优选的实施方式中，所述倒置四面体纳米结构DNA通过在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下自组装形成。
本申请具体实施方式中，复合物的制备方法为：将形成复合物的各倒置四面体纳米结构DNA的四条单链与生物素修饰的核酸适配体自组装。在一个优选的实施方式中，在95℃下变性，然后在4℃退火的条件下形成复合物。
本申请中是基于如下原理构建电化学传感器及对循环肿瘤细胞进行检测的：
修饰有双四面体纳米结构DNA的工作电极中，复合物对循环肿瘤细胞具有特异性的识别作用，复合物再被修饰有正置四面体纳米结构DNA修饰的工作电极捕获；再进行电化学测试时在修饰有亲和素的信号分子，置于双氧水中时，信号分子通过生物素与亲和素的作用集合，并且信号分子催化分解双氧水，将生物化学信号转化为电信号，从而根据电流信号就能够检测获得对应的循环细胞的含量。
以下通过具体的实施例及实施效果数据对本申请中上述技术方案进行进一步解释和说明。
本申请在下述具体的实施方式中所采用的材料及设备如下：
氯金酸(Hydrogen tetrachloroaurate(III)hydrate(HAuCl4))，购于百灵威公司；亚铁***，氯化钾，30％过氧化氢等试剂购于国药集团化学试剂有限公司；缓冲溶液PBS、0.5％酪氨酸溶液(0.1M PBS)等试剂购于生工生物工程(上海)股份有限公司；所有溶液用Milli-Q水(18MΩcm电阻)配制。电泳装置均购自Bio-Rad，PCR仪是Peltier thermalcycler PTC-200(MJ.Research Inc.，SA)，紫外照胶仪器是G:Box(gene CompanyLimitied)；HSBS16x系列多通道电化学工作站，CHI 760E电化学工作站，电子天平，pH计，磁力加热搅拌器，常温离心机，漩涡混合仪；DNA链购于上海生工生物。
本申请中，所用的底物包含3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)和双氧水。
本申请中，对电极为碳电极，参比电极为为银电极。电化学检测时，扫描循环伏案图和时间电流曲线，其中，循环伏安法的起始电压-0.3V，最高电压0.7V，最低电压-0.3V，扫描速度为0.1V/s。时间电流法的初始电位0.1V，采样间隔0.5s，运行时间为100s，静止时间为3s。
正置四面体纳米结构DNA(简写为UTDF)的合成：将形成四面体纳米结构DNA的四条单链等比例混合在TM buffer，配成四面体纳米结构，将配好的样品放入PCR仪中95℃持续5min，然后迅速降温到4℃，并在4℃中持续5min以上。具体地，终浓度为1μM。在实际和合成过程中，先将各单链DNA溶解，在紫外分光光度计下定量，摩尔消光系数从IDTDNA网站上获得，稀释为100μM。
倒置四面体纳米结构DNA(简写为ITDF)的合成：与UTDF合成过程相同，仅是采用的各DNA单链不相同。
ITDF与生物素修饰的核酸适配体形成的复合物的合成：与ITDF合成过程相同，但合成之间加入各链的浓度为：四面体纳米结构DNA四条单链浓度相同，且均与生物素修饰的核酸适配体(简写为aptamers)的浓度摩尔比为1:3。具体地，四面体纳米结构DNA四条单链浓度分别为1μM，aptamers浓度为3μM。
改性的双四面体纳米结构DNA的合成：取UTDF和复合物按照1:1摩尔数杂交获得。具体地，分别各取20μL，在37℃杂交2小时。
采用凝胶电泳法对上述各合成结构进行表征。表征时，采用8wt％聚丙烯酰胺，在100V恒压电泳120min，然后用Gel red染色，紫外照射，拍照。其效果照片如图1所示。由图1可以看出：本申请中技术方案确实合成了双四面体纳米结构DNA。
采用荧光显微镜验证复合物对循环肿瘤细胞MCF-7的特异性结合特性。将形成好的ITDF与核酸适配体形成的复合物和105个MCF-7细胞在冰上孵育30min，再用PBS溶液离心洗涤3次，去除未结合的探针。培养基重悬离心后的细胞，在荧光显微镜下观察，结果如图2所示。图2(a)为MCF-7目标细胞；图2(b)为Cy-3荧光基团修饰核酸适配体与倒置四面体纳米结构DNA杂交形成的ITDF与核酸适配体复合物，所述Cy-3荧光基团修饰核酸适配体为核酸适配体的3'和5'均连接有Cy3；图(c)为图(a)和图(b)的整合图像，探针与细胞位置重合，证明ITDF与核酸适配体形成的复合物结合在细胞表面，对MCF-7细胞具有良好的亲和性。
采用不同探针结构修饰的工作电极检测循环肿瘤细胞MCF-7：
a)本申请中具体的形成电极的方法为：将16通道丝网印刷碳电极置于0.06mg/mLHAuC14溶液中，-200mV下电沉积，运行时间为150s；电沉积后，取出电极条，用Milli-Q水彻底冲洗电极表面后，N2吹干残留的水珠，得到纳米金修饰的16通道丝网印刷电极。
b)不同探针捕获MCF-7细胞：
b1:基于本申请中技术方案获得的探针捕获MCF-7细胞：
将10μL合成好的正置四面体纳米结构DNA(UTDF)滴加到纳米金修饰的16通道丝网印刷电极表面，于湿盒中孵育过夜，使用去离子水彻底冲洗电极表面，洗去未结合的四面体纳米结构DNA纳米结构，用氮气吹干残留的水珠，完成UTDF在工作电极界面的组装。取10μLITDF/生物素修饰的核酸适配体/MCF-7滴加在修饰有UTDF的16通道丝网印刷电极上，在湿盒中孵育30min，使结合到细胞上的ITDF/aptamers与电极上的UTDF探针杂交捕获，然后用PBS清洗电极将未被捕获的MCF-7冲洗掉，并用N2吹干，再与3μL修饰有亲和素的SA-polyHRP信号分子溶液(1μg/mL)室温孵育15min，信号分子通过生物素-亲和素的作用结合到MCF-7上，反应好的电极用PBS充分清洗，将没有结合的SA-poly HRP信号分子洗掉，最后通过测定时间电流曲线来表征双四面体DNA探针对CTC的检测能力。
b2:基于UTDF构建的探针捕获MCF-7细胞：
将10μL合成好的正置四面体纳米结构DNA(UTDF)滴加到纳米金修饰的16通道丝网印刷电极表面，于湿盒中孵育过夜，使用去离子水彻底冲洗电极表面，洗去未结合的四面体纳米结构DNA纳米结构，用氮气吹干残留的水珠，完成UTDF在工作电极界面的组装。
提供对比核酸适配体，所述对比核酸适配体的核苷酸序列为：
5'-CACTACAGAGGTTGCGTCTGTCCCACGTTGTCATGGGGGGTTGGCCTGTTTTTGCTTATCAGACTGATGTTGA-3'，记为SEQ ID NO.11。
将对比核酸适配体与105个MCF-7细胞在冰上孵育30min，再用PBS溶液离心洗涤3次，去除未结合的探针，形成对比核酸适配体/MCF-7混合物。取10μL对比核酸适配体/MCF-7滴加在修饰有UTDF的金印刷电极上，在湿盒中孵育30min，使结合到细胞上的对比核酸适配体与电极上的捕获探针杂交捕获，然后用PBS清洗电极将未被捕获的MCF-7冲洗掉，并用N2吹干，再与3μL修饰有亲和素的SA-poly HRP信号分子溶液(1μg/mL)室温孵育15min，信号分子通过生物素-亲和素的作用结合到MCF-7上，反应好的电极用PBS充分清洗，将没有结合的SA-poly HRP信号分子洗掉，最后通过测定时间电流曲线来表征双四面体DNA探针对CTC的检测能力。
b3:基于对比单链DNA构建的核酸适配体探针捕获MCF-7细胞：
提供对比单链DNA,所述对比单链DNA为5'连接有巯基。具体地，所述对比单链DNA的核苷酸序列为:
5'-ACATTCCTAAGTCTGAAACATTTTTTTTTTTCAACATCAGTCTGATAAGC-3'，记为SEQ IDNO.10。
所述对比单链DNA可以直接修饰在电极基底上。所述对比单链DNA能与有生物素修饰的对比核酸适配体杂交。
将10μL对比单链DNA滴加到金印刷电极表面于湿盒中孵育过夜，使用去离子水彻底冲洗电极表面，洗去未结合的DNA四面体纳米结构，用N2吹干残留的水珠，完成对比单链DNA在印刷电极界面的组装。
将对比核酸适配体与105个MCF-7细胞在冰上孵育30min，再用PBS溶液离心洗涤3次，去除未结合的探针，形成对比核酸适配体/MCF-7混合物。取10μL对比核酸适配体/MCF-7滴加在修饰有对比单链DNA的金印刷电极上，在湿盒中孵育30min，使结合到细胞上的对比核酸适配体与电极上的捕获探针杂交捕获，然后用PBS清洗电极将未被捕获的MCF-7冲洗掉，并用N2吹干，再与3μL修饰有亲和素的SA-poly HRP溶液(1μg/mL)室温孵育15min，信号分子通过生物素-亲和素的作用结合到MCF-7上，反应好的电极用PBS充分清洗，将没有结合的SA-poly HRP信号分子洗掉，最后通过测定时间电流曲线来表征这一探针对CTC的检测能力。
具体结果如图3所示，有图3可以看出，采用如本申请技术方案中探针及电极检测循环细胞时对应的电流信号值明显高于其他两组。
考察本申请中电极的检测范围及检测限。保持MCF-7细胞数在1，10，102，103，104，105个范围内，检测相应的电流信号值。从图4中可以看出，随着细胞数增多，电流强度递增，并绘制相关曲线方程log(Y)＝0.26952log(X)-0.12895，R2＝0.98655。其中Y为电流值，X为MCF-7细胞个数。
验证本申请中电极对循环肿瘤细胞的特异性检测：
a.分别检测105Hela细胞，103MCF-7细胞，103MCF-7及105Hela细胞混合液，具体如图5所示。由图5可以看出，Hela细胞对应电流值与本底信号值基本相同，混合液对应的电流信号值与MCF-7细胞单独存在时的电流信号值相似，证明本电化学生物传感器及检测***具有良好特异性。
b.将105Hela细胞分别与0,10，102，103，104个MCF-7细胞混匀，检测不同条件下电流信号值，结果如图6所示。图6中曲线由下及上；a为0，b为10个MCF-7细胞，c为102个MCF-7细胞，d为103个MCF-7细胞，e为104个MCF-7细胞。由图6可以看出，随着靶细胞数增多，电流强度逐渐增加。
c.将10，100，500，5000个MCF-7靶细胞加入至全血样本中，检测其对应电流信号，结果如图7所示。由图7可以看出，结果证明各组实验结果与细胞在PBS溶液中结果一致。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Figure BDA0003196025260000161
Figure BDA0003196025260000171
Figure BDA0003196025260000181
序列表
<120> 基于四面体纳米结构DNA的信号探针、其制备方法和用途
<160> 11
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 85
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
acattcctaa gtctgaaaca ttacagcttg ctacacgaga agagccgcca tagtattttt 60
ttttttcaac atcagtctga taagc 85
<210> 2
<211> 55
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
tatcaccagg cagttgacag tgtagcaagc tgtaatagat gcgagggtcc aatac 55
<210> 3
<211> 55
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 3
tcaactgcct ggtgataaaa cgacactacg tgggaatcta ctatggcggc tcttc 55
<210> 4
<211> 55
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 4
ttcagactta ggaatgtgct tcccacgtag tgtcgtttgt attggaccct cgcat 55
<210> 5
<211> 85
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
acattcctaa gtatgaaaca ttacagcttg ctacacgaga agagccgcca tagtattttt 60
tttttgctta tcagactgat gttga 85
<210> 6
<211> 75
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 6
tatcaccagg cagttgacag tgtagcaagc tgtaatagat gcgagggtcc aatacctgac 60
cacgagctcc attac 75
<210> 7
<211> 75
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 7
tcaactgcct ggtgataaaa cgacactacg tgggaatcta ctatggcggc tcttcctgac 60
cacgagctcc attac 75
<210> 8
<211> 75
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 8
ttcagactta ggaatgtgct tcccacgtag tgtcgtttgt attggaccct cgcatctgac 60
cacgagctcc attac 75
<210> 9
<211> 73
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 9
cactacagag gttgcgtctg tcccacgttg tcatgggggg ttggcctgtt tttgtaatgg 60
agctcgtggt cag 73
<210> 10
<211> 50
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 10
acattcctaa gtctgaaaca tttttttttt tcaacatcag tctgataagc 50
<210> 11
<211> 72
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 11
cactacagag gttgcgtctg tcccacgttg tcatgggggg ttggcctgtt tttgcttatc 60
agactgatgt ta 72

Claims (10)

1.一种基于四面体纳米结构DNA的信号探针，其特征在于，所述信号探针包括：正置四面体纳米结构DNA和复合物，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交；所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合。
2.根据权利要求1所述的信号探针，其特征在于，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ ID NO.3以及SEQID NO.4所示；和/或，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQ ID NO.8所示；和/或，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
3.一种电化学生物检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将待测循环肿瘤细胞与复合物一起孵育，得到结合有复合物的待测循环肿瘤细胞；
将正置四面体纳米结构DNA修饰在工作电极表面；
2)使正置四面体纳米结构DNA和复合物中的倒置四面体纳米结构DNA杂交，以将循环肿瘤细胞捕获在工作电极上；
3)加入氧化还原酶和相应的底物，进行电化学检测。
4.根据权利要求3所述的电化学生物检测方法，其特征在于，所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体，所述核酸适配体能与待测循环肿瘤细胞识别并结合；和/或，所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有所述生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交。
5.根据权利要求3所述的电化学生物测试方法，其特征在于，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ IDNO.3以及SEQ ID NO.4所示；和/或，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQ ID NO.8所示；和/或，正置四面体纳米结构DNA通过Au-S键修饰在所述工作电极表面；和/或，所述工作电极为碳电极；和/或，所述工作电极为丝网印刷电极；和/或，采用恒电位沉积法将氯金酸直接还原成纳米金并修饰于工作电极上，然后与正置四面体纳米结构DNA键合。
6.根据权利要求5所述的电化学生物测试方法，其特征在于，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
7.一种电化学生物传感器，其特征在于，包括工作电极、正置四面体纳米结构DNA和复合物，所述正置四面体纳米结构DNA修饰在所述工作电极上；所述复合物包括倒置四面体纳米结构DNA和生物素修饰的核酸适配体；所述倒置四面体纳米结构DNA的其中三个顶点均延伸有一个所述生物素修饰的核酸适配体，所述倒置四面体纳米结构DNA的另一个顶点能与所述正置四面体纳米结构DNA的其中一个顶点杂交。
8.根据权利要求7所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述电化学生物传感器还包括参比电极和对电极；和/或，正置四面体纳米结构DNA通过Au-S键修饰在所述工作电极表面；和/或，所述工作电极为碳电极；和/或，所述工作电极为丝网印刷电极；和/或，采用恒电位沉积法将氯金酸直接还原成纳米金并修饰于工作电极上，然后与正置四面体纳米结构DNA键合。
9.根据权利要求7所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述正置四面体纳米结构DNA包括A1、B1、C1和D1四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1、SEQ ID NO.2、SEQ IDNO.3以及SEQ ID NO.4所示；和/或，所述倒置四面体纳米结构DNA包括A2、B2、C2和D2四条链，其核苷酸序列分别如SEQ ID NO.5、SEQ ID NO.6、SEQ ID NO.7以及SEQID NO.8所示；和/或，所述生物素修饰的核酸适配体的核苷酸序列如SEQ ID NO.9所示。
10.如权利要求1～3任一项所述的信号探针或如权利要求7～9任一项所述的电化学生物传感器用于检测循环肿瘤细胞的用途。
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