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方法文章

DNA中稀有单点突变的裸眼检测

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DOI:

10.3791/61514

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2020年8月6日

 ,  , 

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本方案利用金纳米颗粒和顺磁性微粒,可在野生型DNA分子过量200倍的背景下,通过肉眼识别点突变DNA。

摘要

本方案描述了一种通过肉眼观察颜色变化来检测野生型DNA过量背景下体细胞点突变的比色检测方法。该方法预期的应用是鉴定液体活检中循环游离DNA内的稀有突变,在癌症诊断及对肿瘤患者进行个性化治疗分层方面具有重要意义。作为概念验证,本检测被设计用于检测BRAF基因中的BRAFV600E突变,该突变的识别对于确定可从BRAF抑制剂靶向治疗中获益的黑色素瘤亚组患者至关重要。然而,由于采用了通用检测探针,该比色检测方法可轻松推广至其他具有临床意义的体细胞突变,因此在肿瘤学诊断中具有广阔的应用前景。

该检测方法可在大量BRAFWT DNA背景下检出0.5%的BRAFV600E突变,其灵敏度与某些商用仪器检测方法相当。这一灵敏度在临床上具有诊断意义,可实现对药物敏感患者的早期识别。与基于实时PCR的商用检测方法相比,本检测所需仪器设备和操作步骤极少,仅需使用标准PCR(或等温扩增技术)扩增的DNA即可完成,且通过单管反应在约一小时内实现肉眼判读结果。目前,该检测仅在合成DNA样本上进行过验证。然而,这些合成样本的设计旨在模拟从循环游离DNA扩增的真实样本,以促进该检测向临床诊断的转化应用。

引言

该方法的目的是以最少的仪器设备和肉眼观察读数的方式,检测DNA样本中低丰度的点突变。最终目标是建立一种原理验证性检测方法,适用于未来在循环游离DNA(ccf-DNA)(例如来自血液活检样本)中快速检测体细胞突变的应用,用于癌症的早期诊断与监测1。与癌症相关的体细胞突变是一种重要的癌症生物标志物2,其在ccf-DNA中仅占较小(但变异较大)3的比例,使得其检测具有挑战性4。我们选择致癌性突变BRAFV600E作为模型靶标,该突变可导致BRAF激酶持续活化。该突变存在于所有BRAF突变癌症中的80%5,通常在循环肿瘤DNA中仅占<1%6。识别携带该突变的患者具有重要意义,因为该突变可预测患者对BRAF抑制剂的治疗反应。因此,已有多种方法7,8,9,10被开发用于评估BRAF突变状态,其检测灵敏度范围为0.01%至2%。

与现有最先进方法相比,该方法的主要优势在于 其检测无需依赖仪器(肉眼观察即可),而实时荧光定量 PCR 则需依赖仪器检测荧光分子。另一优势在于其能够高效区分在过量野生型 DNA 分子中仅含一个突变 DNA 分子的情况,该分辨能力可达 0.5%,优于11 或匹配项12 与一些基于仪器检测的实验室或商业试剂盒相比,该方法适用于临床诊断应用。另一方面,作为实验室原型检测,该方法依赖于对温度敏感步骤的手动控制。然而,由于步骤数量较少且检测总时长有限,未来有望将其整合到自动化微流控系统中。

本概念验证方法采用合成DNA分子开发而成。为了高效地将其转化为临床应用,需使用从患者血液活检样本扩增的实际样本进行验证。需要注意的是,该方法未来的应用领域并非直接分析未经处理的复杂生物基质(如体液)。对于此类样本,需先通过标准方法提取DNA,再进行扩增和纯化。因此,分析的起始材料始终是经过纯化和扩增的DNA,其在可能存在的干扰物质方面,与用于本方法开发的合成DNA样本具有可比性。

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方案

1. 金纳米颗粒探针的合成

  1. 采用两步法标准种子生长法合成40 nm柠檬酸盐包被的金纳米颗粒,具体步骤如下。
    1. 使用经典的Turkevich–Frens方法合成15 nm柠檬酸盐包被的金纳米颗粒(AuNPs种子)13,14.
      1. 所有玻璃器皿均需用王水(HCl:HNO₃)清洗3 以3:1的体积比混合。
      2. 将250 mL的0.25 mM HAuCl加热4 在均匀搅拌的同时煮沸。
        警告:HAuCl4 具有腐蚀性和毒性。
      3. 立即加入 25 mL 的 38.8 mM Na3∙柠檬酸盐
      4. 继续煮沸并搅拌30分钟,直至溶液变为红宝石色。
      5. 将溶液从热源移开,边搅拌边冷却至室温。
      6. 使用 0.22 过滤 µm PTFE膜注射器滤器
      7. 4°C 保存 °玻璃瓶中的 C
        注意:此处可暂停实验。
    2. 通过种子生长法合成40 nm柠檬酸盐包被的金纳米颗粒(40 nm AuNPs)15.
      1. 配制溶液A:390 µL 新鲜配制的 0.1 M 硫酸羟胺与 13 mL 金纳米颗粒(AuNP)种子混合,总体积为 120 mL,在 H2O.
        注意:获得目标尺寸所需的 AuNPs 种子量可能有所变化;每批新的 AuNPs 种子储备液均需进行滴定优化。
        警告:硫酸羟胺具有腐蚀性、毒性、致突变性,对环境有害。操作时:操作后应彻底清洗。若衣物被污染,应脱下并清洗后方可再次使用。使用时应保证充分通风。尽量减少粉尘的产生和积聚。避免与眼睛、皮肤和衣物接触。容器应严格密闭。避免吸入粉尘。禁止使用金属药匙或其他金属器具。储存时:应将容器严格密闭,存放于阴凉、干燥、通风良好的区域,远离不相容物质。远离金属存放。
      2. 配制溶液B:12.25 mL H2O + 0.25 mL 0.1 M HAuCl4.
      3. 将溶液B吸入注射器中,并将该注射器安装至注射泵。
      4. 设定注射泵参数:注射器直径(mm);流速:90 mL/h;总体积:10.80 mL(其中0.8 mL为系统平衡所需的过量体积,即管路填充)。
      5. 启动注射泵。当溶液B最初流出的0.8 mL液体充满管路并滴入废液容器后,将管路置于装有溶液A的反应烧瓶上方(溶液A保持中等且均匀搅拌),使溶液B逐滴加入。
      6. 加入2.65 mL新配制的0.1 M Na后封管3∙柠檬酸,搅拌5分钟。
      7. 通过在 2,460 x g 条件下离心,浓缩所得的 40 nm AuNPs g 10 分钟,18 次 °C.
      8. 轻轻吸出上清液。在残留体积中轻轻重悬。
      9. 4°C 保存 °C.
        注意:此处实验可暂停。
  2. 采用标准的巯基化学法对40 nm柠檬酸盐包被的金纳米颗粒进行功能化16.
    1. 通过将硫醇化探针寡核苷酸(5′ T(30)–(O–CH2–CH2)3–SH 3′在室温下,用含10 mM Tris(2-carboxyethil)phosphine (TCEP)的溶液轻柔振荡(400 rpm)孵育3小时。
    2. 将过量的消化后寡核苷酸与10 nM AuNPs在室温下轻轻振荡(400 rpm)孵育过夜。
    3. 在10 mM磷酸盐缓冲液(pH 7.4,含0.01% SDS)中,通过在10小时内分步加入NaCl,将AuNPs-DNA混合物逐步调节至0.3 M NaCl,期间保持轻微振荡(400 rpm)。
    4. 室温下轻轻振荡(400 rpm)孵育过夜。
    5. 用含0.01% SDS的10 mM磷酸缓冲液配制的0.25 M NaCl溶液洗涤DNA偶联的AuNPs,共洗涤3次,以去除未结合的过量寡核苷酸。
    6. 将获得的通用探针-金纳米颗粒(AuNPs)于4℃保存 °C,直至使用。
      注意:实验在此处可以暂停。
    7. 使用商业化的基于荧光的检测方法测定金纳米颗粒(AuNPs)上DNA探针的密度
    8. 通过紫外-可见光谱法测定 AuNPs 的浓度。为了从吸光度数据推算 AuNPs 浓度,需采用朗伯-比尔定律 & 比尔定律(A=εbc)以及40 nm AuNPs的已发表消光系数16 可以使用。
    9. 通过动态光散射(DLS)和透射电子显微镜(TEM)表征 AuNPs 探针。
      注意:实验可在此处暂停。

2. BRAFV600E稀有突变的比色法鉴别

  1. 准备用于分析的靶标样本:合成的 BRAF 混合物V600E DNA 和 BRAF野生型 DNA以不同比例(BRAFV600EBRAF野生型 1:10,1:100,1:200,BRAFV600E 100%,BRAF野生型 100%).
  2. 用杂交缓冲液(HB)(1× PBS,pH 7.4,5% w/v PEG 600)将超顺磁性微粒洗涤两次以达到平衡,并将其重悬于与起始体积相等的HB中。洗涤时,取一份超顺磁性微粒 aliquot 置于1.5 mL离心管中(最多50) µL/管),加入 500 µL 的 HB,通过轻柔吹吸混匀三次,放置磁铁吸附后分离上清液,立即加入 500 µ加入 L 的 HB,重复操作进行第二次洗涤步骤。去除上清液后,应立即加入 HB,以避免磁珠干燥,具体操作请参照制造商建议。
  3. 每个待测样本,准备一个含有2.5的试管 µHB 中洗涤后的顺磁性微粒 L
  4. 通过将2.5个磁性微粒与 µL 磁性微粒与 10 µ10 L µ生物素标记的第一鉴别探针(DP1)的 M 溶液,该探针含有 BRAFV600E 突变,室温下持续5分钟。
  5. 用磁力分离法将微粒与未结合的干扰探针分离,并将微粒重悬于12.5 µL 的 HB。为此,将磁铁置于管壁一侧,等待溶液变为透明。小心用移液器吸除溶液,立即加入 HB,并轻轻吹打使磁珠均匀重悬。
  6. 向悬浮液中加入10 µ10 L µ步骤2.1中所述DNA目标样本的混合物
  7. 室温孵育30分钟。
  8. 孵育期间,每隔 3 分钟振荡样品一次,以避免超顺磁性微粒发生沉淀。
  9. 向悬浮液中加入10 µ2 L µM溶液的第二种鉴别探针(DP2),设计为含有一段与靶标互补的序列和一个poly-A尾。
  10. 室温孵育15分钟。
  11. 孵育期间,每隔3分钟振荡样品,以避免超顺磁性微粒发生沉淀。
  12. 孵育后,用磁力分离去除多余的DP2。
  13. 立即加入300 fmol与检测探针偶联的AuNPs,室温孵育5分钟。
  14. 磁力分离含有过量金纳米颗粒(AuNPs)的上清液,并进行下一步操作st 通过添加100进行洗涤步骤 µ室温下 L 的 HB。
  15. 磁力分离上清液,并进行2次未检测到 通过添加100进行洗涤步骤 µL of HB。
  16. 在52℃孵育 °5 分钟,C
  17. 磁力分离上清液,置于52℃ °C.
  18. 立即在12.5中重悬 µ用于比色结果的裸眼读取的HB溶液。
  19. 拍摄结果照片,并将样品在 4 ℃ 保存 °C.

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结果

该方法用于在过量的BRAFwt合成DNA中检测BRAFV600E突变。图1展示了检测策略的详细信息。该检测提供比色法的“是/否”结果17,18,其中红色代表阳性结果(是),黄色代表阴性结果(否)。

简而言之,将包被有生物素化鉴别探针(DP1)的链霉亲和素包被顺磁性微粒用于捕获携带BRAFV600E突变的DNA。待检测的样本(BRAFwt与BRAFV600EDNA的混合物)被加入至微粒中。短暂孵育后,向反应管中加入第二条检测探针(DP2),随后加入显色金纳米粒子(AuNP)探针。样本中的BRAFV600EDNA首先与DP1结合,然后依次结合DP2和AuNP探针,形成夹心结构,使AuNP修饰在顺磁性微粒表面(图2),从而使...

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讨论

该方法的核心在于能够在大量干扰性非靶标DNA存在的情况下,区分仅有一个核苷酸差异的靶标DNA。因此,探针的设计和杂交条件对于实现高灵敏度的 discrimination 至关重要。本检测方法采用通用的比色探针,可适用于任何感兴趣的点突变的检测。然而,每当为新的突变设计新的探针对时,可能需要对反应条件进行一些微小的优化。

该方法中唯一的關鍵步驟是 2.17 步,磁性分離必須在 52 °C 下進行。在此步驟中,必須保持前一步洗滌過程的溫度。這是因為檢測在極小的體積中進行,如果磁性分離過程中不控制溫度,溫度會迅速下降,從而導致非靶分子非特異性地結合到磁珠上。為確保此情況不發生,應檢查陰性對照的顏色,檢測結束時陰性對照應為鮮豔的黃色。

该检测目前仍处于实验室原型阶段,已在合成DNA靶标上进行测试。向临床应用转化需要扩增包含靶标的基因组DNA短片段。由于该检测需要可与探针 readily 杂交的单链DNA,因此建议通过产生单链扩增子的方法来扩增靶标。后者可通过不对称PCR19或不同的等温扩...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者衷心感谢意大利热那亚意大利技术研究所的Stefano Gustincich教授提供的科学与资金支持。作者还感谢意大利莱切Vito Fazzi医院的Maurizio Congedo博士和Paolo Tarantino博士在科学讨论中提供的有益建议。本研究部分得到了意大利旗舰项目NanoMax的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
台式离心机 - Allegra X 30Beckman CoulterA99473
DL-二硫苏糖醇Sigma-Aldrich/ Merck KGaA, Darmstadt, GermanyD0632-25G
Dynabeads M-280 链霉亲和素顺磁性微粒Invitrogen11205D
硫酸羟胺Sigma-Aldrich/ Merck KGaA, Darmstadt, Germany379913-25G
KDS 100 Legacy 注射泵kdScientific789100
NanoDrop OneC 分光光度计Thermo Fisher Scientific Inc.,Waltham, MA, USA)
磷酸盐缓冲液Sigma-Aldrich/ Merck KGaA, Darmstadt, Germany806552-500ML
Pierce™ TCEP-HCl,无需称量™ 格式Thermo Fisher Scientific Inc.,Waltham, MA, USA)A35349
聚乙二醇 600Sigma-Aldrich/ Merck KGaA, Darmstadt, Germany202401
PTFE 0.22 µm 滤膜,FluoroporeMilliporeFGLP04700
Quant-iT™ OliGreen™ ssDNA 定量检测试剂盒Thermo Fisher Scientific Inc.,Waltham, MA, USA)O11492
二水合柠檬酸钠Sigma-Aldrich/ Merck KGaA, Darmstadt, GermanyW302600
合成寡核苷酸Integrated DNA Technologies, Inc. (IDT DNA)
四氯金(III)酸Sigma-Aldrich/ Merck KGaA, Darmstadt, Germany520918
硫醇化 polyT DNA 探针Integrated DNA Technologies, Inc. (IDT DNA)
透射电子显微镜 (TEM)JEOL JEM 1011 显微镜
Zetasizer Nano S - 动态光散射系统Malvern Panalytical

参考文献

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