基于纳米探针直接检测肺癌样品中P53基因突变的方法

摘要

本发明涉及的是一种基于纳米探针直接检测肺癌样品中p53基因突变的方法，其特征在于未标记的靶核酸序列以及纳米金标记的信号探针与固相支持物连接的捕获探针进行的夹心杂交，并通过银染增强的纳米金信号放大效应产生高灵敏的识别信号。该方法能够检测未扩增的基因组DNA样品中的单碱基突变。与传统的基于荧光信号检测的方法相比，本发明提供的纳米芯片检测方法大大提高了检测的灵敏度和特异性，并可通过普通的光学扫描仪或者普通的电荷藕合器件(CCD)数字照相机就可以对杂交信号进行采集和分析，也可通过相关软件进行分析，得出检验报告。

说明书

技术领域

本涉及一种基于纳米探针直接检测肺癌样品中P53基因突变的方法，更确切地说，本发明涉及一种用于肺癌辅助诊断的P53基因突变检测的纳米诊断芯片。特别是一种直接检测基因组DNA中基因突变的纳米探针芯片检测方法。

背景技术

肺癌是世界上发病率和死亡率较高的恶性肿瘤之一，其病死率在城市人口恶性肿瘤死亡中居首位。尽管过去20年肺癌的治疗有了很大进展，但肺癌病人的预后却无明显提高，5年生存率仅10％～15％。其主要原因在于肺癌常规筛查程序不够充分，未能识别癌变的早期损害。

随着分子生物学技术的发展，人们逐渐认识到肺癌本质上是涉及多基因多步骤的复杂的过程，涉及遗传和环境等诸多因素的相互作用，以及大量相关基因结构和表达调控的改变。这些遗传学改变随时间累加有可能引起肿瘤的发生，引起肺癌演变的各种分子遗传学改变可作为临床上检测肺癌细胞的指标，为肺癌的早期诊断和治疗提供了一系列的分子生物学标志，从而使肺癌的早期诊断和个体化成为可能。一些研究从分子病理学角度出发，提出了肺癌的演变是一系列分子变异的模式，其中p53基因突变是肺癌发生的重要关键基因之一，深入研究p53基因突变对于了解肺癌的发生发展具有重要的意义。

P53基因定位于17号染色体短臂(17P13)，全长16-20kb，含有11个外显子与10个内含子，野生型p53是一种抑癌基因，转录2.8kb的mRNA.P53基因结构和表达异常是迄今为止肺癌中最常见的分子改变，人类50％以上的肿瘤都与这种基因的失活变异有关。p53基因突变率在小细胞肺癌(SCLC)高达80％～90％，非小细胞肺癌(NSCLC)亦达50％～60％。p53基因异常(包括突变、缺失和过表达)也存在于无肺癌的吸烟者，从鳞状上皮组织转化、不典型增生到原位癌、浸润癌过程中，p53基因突变率逐渐升高，其中30％肺癌在癌前病变或轻度不典型增生就存在p53基因异常，提示p53基因异常是肺癌发生的早期事件。因此P53基因的突变的检测在肺癌的早期诊断中有着重要作用。各种各样的分子生物学方法一致被用于检测肺癌中P53基因的突变。其中DNA测序的方法是检测基因突变的金标准。然而，这个方法涉及了特殊的测序仪，并且费时费力，超出了大多数临床实验室的承受能力。

基因诊断芯片是上世纪90年代初由美国提出的技术，可看作PCR技术的进一步发展，实质是PCR、核酸杂交及芯片技术(核心为生物芯片的制备及反应信号的检测)的有机结合。所谓生物芯片是由固定于不同种类支持介质上的高密度的寡核苷酸分子、基因片段或多肽分子的微数组组成，其中每个分子的位置及序列为已知，当荧光标记的靶分子与芯片上的探针分子结合后，可通过激光共聚焦荧光扫描或电荷偶联摄像机对荧光信号的强度进行检测，从而对杂交结果进行量化分析。基因芯片技术在分子生物学研究领域、医学临床检验领域、生物制药领域和环境医学领域显示出强了大的生命力。首先，它为临床检验工作提供了一种全新的技术，使一些临床检验工作中难解决的问题成为可能。例如实验室诊断在单一因素疾病诊断中具有决定性的意义，但由于人体和疾病的复杂性，单一指标在临床工作的作用是有限的，这是往往需要多指标组合，而芯片技术正好提供了解决的思路。另外，有的实验室难题在高通量的检测中可以得以解决，如基因表达谱以及基因突变的检测等等。

然而目前的芯片尽管可以一次性对同一样品进行大量序列检测和核酸分析，具有较好的灵敏性和特异度，但是仍然需要事先PCR扩增去增加特异的核苷酸浓度，而PCR反应需要严格的实验室、昂贵的硬件设备和复杂的混合物和才能进行有效的酶反应，整个检测系统庞杂；并且操作烦琐、耗时，容易造成污染。

近年来，纳米颗粒应用于生物体系引起了普遍重视，纳米颗粒比表面积大、表面原子数比例高等特点也使得纳米颗粒显示出明显的表面效应，其表面具有很高的活性，颗粒官能团密度及选择性吸附能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，粒子的稳定性大大提高。因此，相比常规材料，纳米颗粒具有极高的偶联容量，可以在单位平面上连接更多的生物活性敏感分子，从而提高检测的敏感性。特别是纳米金，在分子生物学领域的研究和应用已成为目前科学家研究的热点。金纳米粒子在水中形成的分散系俗称胶体金，金颗粒可与氨基发生非共价的静电吸附而牢固结合，与巯基之间形成很强的Au-S共价键，这使得胶态金可与生物活性分子结合，形成的探针可用于生物体系的检测中。以胶体金为标记物的免疫金和免疫金银染色法，可以单标记或多重标记，并可以进行大分子的定性、定位以至定量研究，已被广泛应用于医学和生物学的众多领域。

而纳米技术和基因芯片技术的结合是基因检测中的一项重大进展，将纳米金标记的探针与互补的目的核酸共杂交锚定于固相载体上，可有效避免纳米金溶液体系中的一些非特异性吸附对观察终点的干扰。纳米金颗粒具有高电子密度的特性，当这些标记物在相应的杂交位点处大量聚集时，肉眼可见红色或粉红色斑点，因而广泛应用于定性或半定量的快速检测方法中，这一反应也可以通过银颗粒的沉积被放大，称之为银染色。纳米金颗粒标记技术具有简单、快速、准确和无污染等优点，且检测不依赖昂贵的激光检测仪器，只需普通光学仪器，甚至肉眼即可辨别。因此，生物传感器中利用纳米材料进行标记检测，对于构建快速、廉价、微型的生物传感器也具有非常重要的意义。比较传统的荧光检测技术，基于纳米技术的芯片检测方法由于微电子技术使带电荷的分子运动速度加快，分子杂交的时间大大缩短；并且银增强检测增加了检测的灵敏度和特异性，可以直接检测基因组DNA的突变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纳米探针直接检测肺癌样品中P53基因突变的方法，本发明要解决的技术问题是针对目前PCR以及传统的芯片荧光检测方法存在的不足之处，提供一种基于“三明治杂交”原理的用于检测肺癌患者中P53基因突变的纳米探针芯片的检测方法。

本发明所提供的检测方法包括：(1)探针的设计和制备；(2)待测样品的处理和纳米探针的标记；(3)杂交和检测。

用于肺癌p53突变检测的纳米探针芯片主要根据肺癌中P53基因5-8外显子中常见突变信息设计相应探针，其中每个SNP(单核苷酸多态性)位点至少设计两个捕捉探针，即一个野生型，一个突变型；原则是每个突变位点尽量位于探针的中间，每个探针的长度相同，为了更好地固定在修饰好的玻片上，探针的5’未端需加16个长度T的连接臂和氨基修饰，探针的合成由大连宝生物有限公司(TAKARA公司)完成。寡核苷酸探针包括捕捉探针和纳米探针。

杂交特征主要根据肺癌中常见P53突变位点信息设计捕捉探针(野生型和突变型探针)，并固定在玻片表面；而以P53基因序列中临近突变位点的一段序列设计巯基修饰的信号探针，并标记为纳米金探针。捕捉探针和信号探针与靶DNA序列进行特异性的三明治等位杂交，从而达到检测的目的。

由于P53基因突变检测与肺癌的早期诊断密切相关，该芯片中设计的探针包括了肺癌中出现频率较高的P53基因突变信息，本发明的基因芯片可快速检测肺癌病人组织和血清样品中P53基因突变，可用于肺癌患者的辅助诊断。

具体地说，一种无需扩增基因组DNA用于检测p53基因突变的纳米探针芯片的检测方法，其特点在于未标记的靶核酸序列以及纳米金标记的信号探针与固相支持物连接的捕获探针进行的夹心杂交，并通过银染增强金信号放大进行检测，包括探针的设计和制备、待测样品的处理和纳米探针芯片的制备、杂交和检测三部分，具体为：

A.探针的设计和纳米探针芯片的制备

①根据肺癌中P53基因5-8外显子中常见突变信息设计相应探针(表1、2)，其中每个SNP位点至少有两个探针，即一个野生型，一个突变型；原则是每个SNP位点设计尽量位于探针的中间，碱基长度大约16-25bp(探针见表1)，为了更好地固定在修饰好的玻片上，探针的5’末端需加16个长度T的连接臂和氨基修饰。根据临近SNP位点的靶DNA序列设计带有巯基的信号探针，碱基数不超过40bp，TM值温度大致相等。探针的合成由大连宝生物有限公司(TAKARA公司)完成。

②芯片的制作：将氨基修饰的捕捉探针通过芯片点样仪点在醛基修饰的玻片上，37℃度固定，制备P53基因突变检测芯片。

B.待测样品的处理和纳米探针芯片的制备

①待测样品的处理：通过如蛋白酶K消化法、快速高盐提取法、CTAB法、SDS裂解法等方法抽提基因组DNA，然后通过超声波降解或限制性内切酶切断DNA的方法，控制条件将基因组DNA降解成500-1000bp的片段。

②用金纳米颗粒标记带有巯基修饰的信号探针。纳米探针的标记方法为：15nm或30nm的纳米金(上海水源生物有限公司)200μl加巯基的寡核苷酸探针100umol/L，11μl，，室温下放置24小时，然后2M NaCl(以及1×PB)加入到该混合液中，使其浓度达到0.075M。2小时后继续加入NaCl，并调整NaCl浓度到0.1M。继续放置84小时后，纳米颗粒通过12000rpm离心进行分离(终浓度为吸收光谱520nm DNA)。

C.杂交和检测

①纳米探针的芯片识别靶基因及SNP位点的杂交方法为标记了纳米金的探针与芯片上的捕捉探针以及靶DNA的两步连续的杂交。所述的纳米探针芯片的杂交方法为两步连续的杂交。第一步杂交：取降解成500-1000bp的基因组DNA(浓度100ng/μl)5μl加10μl杂交液混合，滴于芯片阵列处，盖上盖玻片，置于50℃杂交箱中半个小时，使DNA样品与芯片上的特异性捕捉探针结合。然后室温下取出芯片，在0.5M的NaNO₃中洗30秒。第二步杂交：将纳米金标记的探针2μl与10μl的杂交液混合后加在阵列处，50℃杂交箱中杂交20-30分钟，然后0.5M的NaNO₃中洗三次(每次30秒)。

②其检测方法是通过银染显色的方法，利用银染试剂的氧化还原反应中形成的银颗粒聚集在纳米金上，而使杂交信号放大。所述的银染显色方法是：在芯片阵列处加上新配制的银增强液，盖上盖玻片，37℃反应15分钟，结束后去掉盖片，超纯水洗一下，氮气吹干。纳米芯片检测方法：使用光学显微镜观察或者电荷藕合器件(CCD)照相采集以及普通光学扫描仪扫描记录芯片上的信息。该检测方法具有成本低、操作简单、重复性好等特点，不需要价格昂贵的检测仪器，易于在临床推广应用。

本发明优点及效果

(1)肺癌是目前国内发病率和死亡率较高的恶性肿瘤之一，P53基因在肺癌中的突变率相较与其它肿瘤更高，利用基因芯片技术可以检测P53基因大量的突变位点，具有高通量的特点，可用于快速检测肺癌的发病原因，查明与肺癌相关的基因突变，为临床医生诊断和治疗提供指导作用；

(2)本发明的纳米探针检测方法可直接检测肺癌血液或组织样品基因组DNA的突变，不需要特殊的仪器或PCR扩增；

(3)本发明的纳米芯片检测方法采用纳米探针的三明治杂交方法大大提高了杂交特异性和检测的灵敏度；

(4)本发明的纳米探针检测方法检测灵敏度超过了荧光检测法的灵敏度，并且重复性也较好；

(5)本发明纳米探针芯片检测方法采用纳米金标记，银染显色的方法检测杂交结果，背景低，稳定，快捷。杂交结果易于分析、保存。

(6)本发明的纳米探针芯片检测，只需普通的商用扫描仪或普通的CCD采集信号，不需要昂贵的荧光扫描仪，具有成本低、操作简单、重复性好等特点，更方便临床的推广使用。

(7)所述的阳性内参照与阴性内参照之间只差一个碱基。

表1.是根据P53基因DNA序列信息所设计的探针

表1：根据P53基因5-8外显子DNA序列信息所设计的探针

 

探针编号(Number)        探针位置                               探针序列(sequence from 5’to 3’)1157wtACCCGCGTCCGCGCCA2157mutCACCCGCTTCCGCGCCAT3158mutACCCGCGTCCTCGCCATG4171wtCACATGACGGAGGTTGTGAGGCG5171mutGCACATGACGTAGGTTGTGAGGCG6175wtGCACATGACGTAGGTTGTGAGGCG7175mutTGTGAGGCGCTGCCCCCA8175mutTTGTGAGGCACTGCCCCCAC9179wtGCCCCCACCATGAGCGCTG10179mutTGCCCCCACTATGAGCGCTG11245mutGTTCCTGCATGTGCGGCATGAA12248wtGCATGGGCTGCATGAACCG13248mutGGCATGAACCGGAGGCCCAT14249mutATGAACCGGAGTCCCATCCTCA15273wtATGAACCGGAGTCCCATCCTCACC16273mutGCTTTGAGGTGCGTGTTTGTGCC17298wtCCTCACCACGAGCTGCCCCC18298mutGCCTCACCACTAGCTGCCCCC

表2.用于肺癌p53突变检测的纳米探针芯片矩阵

表2  P53基因突变检测芯片探针矩阵示意图

附图说明

图1是用于肺癌p53突变检测的纳米探针杂交示意图：(a)野生型(b)突变型。

图2是纳米金探针标记直接杂交电荷藕合器件(CCD)拍照得到的结果。

图3是肺癌样品P53基因突变检测芯片杂交后扫描结果一致性分析，其中，(a)测序结果(b)扫描结果，箭头所指处为179氨基酸位点突变。

具体实施方式

下面通过实施例及其附图对本发明作进一步说明。

1.准备材料与试剂

(1)EasyHtyb杂交液：购于Roche公司；

(2)所有探针合成在大连宝生物工程(大连)有限公司(大连TaKaRa公司)

(3)15nm和30nm的纳米金购于上海水源生物科技有限公司

(4)NaNO₃洗液：1M    NaNO3         300ml

                  0.2M  Na₂HPO₄   30.5ml

             0.2M   NaH2PO4    9.5ml

             定容到 1000ml

(5)PB溶液：0.3mol/L NaNO3和10mmol/L Na2HPO4/NaH2PO4，PH 7.0

(6)银染增强液：1％明胶                                 60μl

               2.55g柠檬酸/2.35g；柠檬酸三钠/10ml H₂O； 10μl

               1.7g氢醌/30ml H₂O，                      30μl

               0.5g AgNO₃ 2ml H₂O；                      1.2μl

具体实施方法

1.取病人血清、痰液或组织样品，按试剂盒提供的试剂及使用方法抽提基因组DNA，酶切或超声降解DNA片段，使DNA片段大致为500-1000bp的片段。

2.参照表1、2探针序列和矩阵设计探针和芯片，根据肺癌中P53基因5-8外显子中常见突变信息设计相应探针，其中每个单核苷酸多态性(SNP)位点至少设计两个捕捉探针，即一个野生型，一个突变型；原则是每个突变位点尽量位于探针的中间，每个探针的长度相同，为了更好地固定在修饰好的玻片上，探针的5′未端需加16个长度T的连接臂和氨基修饰，探针的合成由大连宝生物有限公司(TAKARA公司)完成。

3.纳米探针芯片的制作：将氨基修饰的捕捉探针通过芯片点样仪点在醛基修饰的玻片上，37℃度固定72小时，制备P53基因突变检测芯片。

4.而根据p53基因序列中临近突变位点的一段序列设计巯基修饰的信号探针，信号探针的碱基数不超过40bp，并用纳米金进行标记。标记过程如下：30nm的纳米金200μl加巯基的寡核苷酸探针100umol/L，11μl，，室温下放置24小时，然后2M NaCl(以及1×PB)加入到该混合液中，使其浓度达到0.075M。2小时后继续加入NaCl，并调整NaCl浓度到0.1M。继续放置84小时后，纳米颗粒通过12000rpm离心进行分离。

5.两个质量控制核酸探针阳性内参照和阴性内参照的设计之间只差一个碱基。阳性内参照用于检测杂交和检测信号是否正常，借此评估芯片实验的过程的有效性。如果阳性内参照在试验结果中呈现杂交信号，说明此次试验有效；如果阳性参照在试验结果中未呈现信号，说明此次试验无效。阴性内参照用于检测杂交条件是否严谨。如果阴性内参照在试验中未出现信号，说明此次试验有效；如果阴性内参照在试验结果中呈现信号，说明此次试验无效。

6.纳米探针芯片的两步杂交：取打断的基因组DNA(浓度100ng/μl)5μl加10μl杂交液混合，滴于芯片阵列处，盖上盖玻片，置于50℃杂交箱中半个小时，使DNA样品与芯片上的特异性捕捉探针结合。室温下取出芯片，在0.5M的NaNO₃中洗30秒。然后进行第二次杂交，将纳米金标记的探针2μl与10μl的杂交液混合后加在阵列处，50℃杂交箱中杂交20-30分钟，然后0.5M的NaNO₃中洗三次(每次30秒)。

7.加入银染增强液： 1％明胶                                60μl

                   2.55g柠檬酸/2.35g；柠檬酸三钠/10ml H₂O；10μl

                   1.7g氢醌/30ml H₂O，                     30μl

                   0.5g AgNO₃ 2ml H₂O；                     1.2μl

前三种最好新鲜配制，银染用时再加1.2μl AgNO₃迅速混匀立即加到芯片阵列处，盖上盖玻片，放在37℃温箱里反应15min，结束后去离子水中洗一下，终止反应。

8.使用电荷藕合器件(CCD)照相采集以及普通光学扫描仪扫描记录芯片上的信息。如图3为肺癌p53突变检测的纳米探针芯片用于肺癌组织样品检测杂交后普通扫描仪扫描结果。

参照图1示意图纳米金标记的探针与芯片上的捕捉探针以及靶基因组DNA直接杂交后，用银染增强的方法，银颗粒与纳米金结合形成可见的银沉积层，图2是CCD拍照的纳米探针芯片杂交结果。图3是一个肺癌组织样品经过抽提取后，用p53突变检测的纳米探针芯片检测后普通光学扫描仪扫描后的结果，显示肺癌样品中179氨基酸位点突变被纳米芯片检测出来(碱基C变成了T)，经过测序对比，芯片的检测结果和测序的结果完全一致。