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深圳大學(xué)董海峰教授:DNA水凝膠微針貼片,無(wú)創(chuàng)檢測(cè)癌癥相關(guān)靶標(biāo)

更新時(shí)間:2022-11-25點(diǎn)擊次數(shù):903

大量研究表明,miRNAs的異常表達(dá)與腫瘤的發(fā)生和遷移高度相關(guān)。它被認(rèn)為是腫瘤早期診斷和臨床治療的潛在生物標(biāo)志物。最近的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明,在血液中發(fā)現(xiàn)的所有類型的RNA也以相似比例存在于間質(zhì)液中。對(duì)無(wú)創(chuàng)采樣和個(gè)性化生理監(jiān)測(cè)的需求不斷增長(zhǎng),激發(fā)了人們對(duì)可作為生物標(biāo)志物信息庫(kù)的ISF進(jìn)行探索的興趣。因此,開發(fā)一種強(qiáng)大的微創(chuàng)方法在皮膚ISF中取樣足夠的靶點(diǎn)是勢(shì)在必行的。由于miRNA在ISF中的表達(dá)水平較低,樣本量有限,因此對(duì)ISF中miRNA的檢測(cè)提出很大的挑戰(zhàn)。



為解決這一問題,深圳大學(xué)董海峰教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由甲基丙烯酸透明質(zhì)酸(MeHA)包裹的智能DNA水凝膠系統(tǒng)組成的微針貼片,用于快速采樣和敏感檢測(cè)皮膚ISF中的miRNA生物標(biāo)志物。MeHA/DNA基質(zhì)具有極.高的親水性,可在較短時(shí)間內(nèi)提取足量的ISF (5 min, 0.97±0.2 mg)。此外,級(jí)聯(lián)Toehold介導(dǎo)的DNA鏈置換信號(hào)擴(kuò)增可以靈敏地檢測(cè)低豐度的miRNA (低至241.56 pM)。該研究以題為“Microneedle Array Encapsulated with Programmed DNA Hydrogels for Rapidly Sampling and Sensitively Sensing of Specific MicroRNA in Dermal Interstitial Fluid" 的論文發(fā)表在《ACS NANO》上。




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用于信號(hào)放大的DNA水凝膠制備及可行性驗(yàn)證

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圖1. DNA水凝膠的結(jié)構(gòu)和鏈置換過程


DNA水凝膠呈現(xiàn)出三維聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其由 6 條單鏈 DNA(S-1 至 S-6)制備而成,分為長(zhǎng)雙鏈 DNA([S-1/S-2] n)和交聯(lián)劑(CL)。[S-1/S-2] n和 CL 都有懸浮的單鏈 DNA(綠色),DNA水凝膠是由二者懸浮單鏈之間的雜交形成的。天然聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)證實(shí)了DNA水凝膠的成功形成和Toehold介導(dǎo)的鏈置換過程。透射電子顯微鏡(TEM)圖像顯示了DNA水凝膠微粒平均大小為700 nm。此外,進(jìn)一步使用FL光譜分析來研究其可行性,與對(duì)照組相比靶miRNA引起的S-6置換觸發(fā)FL恢復(fù)(綠色曲線),而燃料探針的加入進(jìn)一步導(dǎo)致FL急劇增加(紅色曲線)。



MN的制備和表征
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圖 3. 交聯(lián) MeHA/DNA-MNs 貼片制造工藝示意圖及性能表征(形貌、機(jī)械強(qiáng)度、生物毒性、溶脹性等)


為了制備 MeHA/DNA-MN,將 MeHA 水溶液和 DNA 水凝膠充分混合,然后倒入 PDMS 模具中(該模具是利用摩方精密的nanoArch P150設(shè)備打印微針陣列,結(jié)合PDMS翻模制成),在藍(lán)光照射下交聯(lián)并在室溫下干燥。最后,從模具中剝離干燥的 MeHA/DNA-MNs 貼片。獲得的 MeHA-MNs 貼片是15 × 15 的針頭陣列,尖.端鋒利,高度為 860 ± 10 μm,底寬約為 340 ± 10 μm,針間距約為 800 μm。放大掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像顯示MeHA/DNA 水凝膠具有均勻分布的孔隙,這種互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了 MN 的表面積和對(duì)樣品的提取。通過壓縮實(shí)驗(yàn)證實(shí)了交聯(lián)的 MeHA-MNs 貼片和 MeHA/DNA-MNs 貼片具有相似的機(jī)械強(qiáng)度,表明 DNA 水凝膠對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的影響很小。組織學(xué)研究顯示穿透深度為 250 ± 20 μm,表明 MN 可以穿透表皮(厚度為 50-150 μm)以到達(dá)真皮。交聯(lián)的 MeHA/DNA-MNs 貼片在瓊脂糖凝膠中 15 分鐘內(nèi)可提取 86.6 ± 2.7 μL液體。



通過 MeHA/DNA-MN 進(jìn)行體外 miRNA 成像

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圖4. 探究在瓊脂糖和新鮮豬皮模型中MeHA/DNA-MN miRNA 成像性能


為了測(cè)試 MN 貼片原位采樣和檢測(cè) miRNA 的能力,首先研究了其在瓊脂糖凝膠和暴露于不同濃度 miRNA-155 的新鮮豬尸體皮膚中檢測(cè) miRNA的性能。結(jié)果表明,在瓊脂糖凝膠中可檢測(cè)到低至 241.56 pM 的 miRNA。接著研究了其區(qū)分各種類型 miRNA 的能力,miRNA-155產(chǎn)生的FL強(qiáng)度分別是miRNA-205和miRNA-21產(chǎn)生的FL信號(hào)的2.19倍和2.39倍,這表明MNs檢測(cè)具有良好的特異性。使用新鮮豬尸體皮膚模型驗(yàn)證了 MNs 對(duì)體外 miRNA 檢測(cè)的敏感性和選擇性,與對(duì)照(沒有 miRNA 預(yù)處理)和 miRNA-205、miRNA-21 預(yù)處理相比,MNs 穿透與 miRNA-155 孵育的豬尸體皮膚顯示出更高的 FL 發(fā)射,有力地證實(shí)了 MeHA/DNA-MNs 具有很好的在采樣和分析皮膚 ISF 中的 miRNA 方面的潛力。



通過 MeHA/DNA-MN 進(jìn)行體內(nèi) miRNA 成像

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圖 5. 在小鼠模型中使用 MeHA/DNA-MNs 貼片提取皮膚 ISF 和 miRNA 的 FL 信號(hào)分析

使用小鼠模型來研究體內(nèi) MN 貼片的特性。將 MN 貼片壓入小鼠背部皮膚,去除 MNs 貼片后微孔在 5 分鐘內(nèi)變得不可見, 30 分鐘后皮膚未觀察到紅斑或水腫,驗(yàn)證了MNS不會(huì)引起任何炎癥反應(yīng)。為了研究體內(nèi)毒性,健康小鼠和荷瘤小鼠用MN處理后處死小鼠,取主要器官(心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟)進(jìn)行H&E 染色,微針植入后器官未見明顯病理變化或毒性反應(yīng)。MN 能夠在 5 分鐘內(nèi)從小鼠實(shí)驗(yàn)中提取 0.97 ± 0.2 mg(約 0.97 ± 0.2 μL)的 ISF。此外,探討了該平臺(tái)用于檢測(cè)腫瘤小鼠中 miRNA的性能。穿透無(wú)腫瘤小鼠MN 的 FL 強(qiáng)度比荷瘤小鼠低 1.58 倍,這有力地證實(shí)了 MeHA/DNA MNs 在體內(nèi)采樣和分析皮膚 ISF 中 miRNAs 的巨大潛力。


結(jié)論



作者開發(fā)的MeHA/DNA-MNs貼片不僅具有高機(jī)械強(qiáng)度以穿透皮膚,而且具有高親水性,可以在短時(shí)間內(nèi)提取足夠的ISF。在 DNA 凝膠中精心設(shè)計(jì)了一個(gè)級(jí)聯(lián)的Toehold介導(dǎo)的 DNA 置換反應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng),用于 ISF 中的 miRNA 信號(hào)放大分析。設(shè)計(jì)的貼片在小鼠模型實(shí)驗(yàn)中顯示出在小鼠模型中有效且靈敏地監(jiān)測(cè)乳腺癌相關(guān) miRNA 的良好能力。MeHA/DNA-MNs 在臨床應(yīng)用中具有微創(chuàng)個(gè)性化診斷和實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的巨大潛力。


全文鏈接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06261


來源:高分子科學(xué)前沿