新型纳米芯片：实现细胞里的 EGFR 基因突变检测

肺癌的发病率和死亡率一直处于恶性肿瘤的前几位,2020年全球肺癌发病人群达到220万例。在这其中,中国的肺癌新发率为82万例,死亡率达到71万人,属于全球肺癌发病率和死亡率最高的国家。

肺癌发生的原因一般是特定基因产生了突变,由此引起肿瘤细胞产生特殊行为,例如超强的耐药性,这时使用再昂贵的药物,往往也无济于事。

EGFR突变在肺癌基因突变中存在率最高。尽管EGFR靶向药物可有效延长患者存活期,但肿瘤细胞容易产生耐药性,从而造成靶向药物失效。预测患者是否存在EGFR突变,并推断其肿瘤细胞对靶向药物的耐药性,在提高肺癌治疗效果中起着重要作用。

基于此,研究人员开发出一种新型单个活细胞水平研究平台(Single Living Cell Analysis Nanoplatform,下称 SLCA 平台),借助纳米电递送技术,该平台可将用于原位信号放大的多米诺荧光探针,高效递送到活细胞内,从而在单细胞水平检测细胞内的基因突变。

同时,基于微孔阵列的纳米芯片拥有细胞寻址能力,它能对肿瘤细胞进行耐药性原位分析。

在研究中,“多米诺”DNA 探针可以通过碱基互补配对的原则,把成对的发夹 DNA 序列组装成致密的螺旋链。在与靶 RNA 孵育后,该探针会在 30 分钟内快速反应,并使其荧光倍率增强,最终实现在单细胞内具有较强的荧光检测信号。与传统的分子信标相比,多米诺探针被靶标RNA识别的反应速度加快了4倍,荧光信号增强了10倍。

为了实现高效且安全的探针传递,同时允许在单细胞水平上对细胞行为进行原位观察,研究人员又开发出一种纳米芯片,该芯片可将多米诺探针传递到活细胞中,并可在芯片上进行细胞培养与观察。

该纳米芯片由三个部件组成,分别是用于细胞定位和培养的微孔阵列、用于探针输送的纳米孔、以及用于建立电场的电极。

其中,这些微孔阵列膜可被分为上腔和下腔,相关细胞和多米诺探针都会通过带有纳米孔的微孔阵列膜,这样排列在微孔阵列中的单细胞可与微孔底部的纳米孔紧密相连。而在外部低电压下,纳米孔会聚集电场,并在纳米孔之间形成偏置电压,从而穿透细胞膜。

通过使用此方法,可以巧妙避免同电荷细胞膜与多米诺探针之间的斥力问题,还能在可调节的电场下实现单细胞膜上的精确电穿孔,可控、高效、均匀地将多米诺探针传递进细胞。

此外,在芯片上,每个微孔都有一个唯一的地址,这样就能联合多米诺探针检测并追踪微孔中的每个细胞。由于这些癌细胞都位于可寻址微孔中,因此在递送之后,可实现细胞里的 EGFR 基因突变检测,以及后续的耐药性分析。

简单来说,这种纳米生物芯片,可以在原位进行高通量活细胞培养,并在活细胞内进行突变基因探测,另外,其还能分析同一细胞行为。

目前,相关研究成果《用于基因突变和细胞行为高通量探测的单个活细胞分析纳米平台》已发表在Nano Letters上,未来,该芯片有望通过技术转化,应用于临床药物筛选和精准医疗。