[发明专利]一种基于场效应晶体管的核酸微损伤检测方法和生物传感器

说明书

本发明公开了一种基于场效应晶体管的核酸微损伤检测方法和生物传感器。将存储有溶液的储液池固定在负载有核酸分子的场效应晶体管上，检测时加入能够损伤核酸的物质，使其与场效应晶体管中的核酸分子相作用，引发核酸分子构型发生变化，进而引起场效应晶体管的电流变化。本发明可高灵敏地检测由药物分子引起的DNA微损伤，是一种快速廉价的DNA损伤检测方法。

技术领域

本发明属于生物电子以及多功能传感领域，具体涉及一种基于场效应晶体管的核酸微损伤检测方法和生物传感器。

背景技术

内源性代谢物、环境中的致癌物质以及具有基因毒性的化疗药物等都会攻击DNA，从而造成损伤。这些DNA损伤会导致基因突变和染色体损伤，进而可能使生命体发生癌变和肿瘤增生。然而，为了限制基因的不稳定性，在生命体细胞内存在DNA损伤响应途径和修复蛋白，以清除和减轻DNA损伤。未修复的DNA损伤可能成为促进细胞消亡的途径，如细胞凋亡和坏死，这些途径也被认为是抑制肿瘤的有效途径。通过研究细胞如何通过细胞死亡取代DNA修复，科研人员利用基因毒性化疗药物对肿瘤细胞的杀伤作用来治疗癌症。然而，化疗药物并不具备特异性识别癌细胞的作用，在杀死癌细胞的同时，会通过体内循环扩散到生命体的正常细胞内，对正常细胞造成损伤，在造成正常细胞死亡的同时，也会存在微量的DNA损伤潜伏在细胞内，长时间的累积下，会诱发基因突变，增加二次患癌的风险。例如，研究人员利用全基因组测序方法，分析了放化疗抗癌疗法对转移肿瘤的影响，找到了放化疗治疗方式在细胞DNA上留下的突变特征，还发现铂类等常用化疗药物会大幅加快DNA突变频率，最高能达到自然突变频率的100倍，甚至是1000倍。他们发现虽然这些药物在大部分时候会杀死癌细胞或者正常细胞，也会损伤部分细胞，转化成突变。化疗药物会导致癌细胞和健康细胞出现基因突变(Pich O,et al.Nat.Gene.,2019,51,1732-1740.)。多项研究表明，化疗引起的DNA突变，是治疗之后给患者造成长期不良影响的因素之一(Alexandrov L B,et al.Nature,2013,500,415-421；Kucab J E,et al.Cell,2019,177,821-836.)。因此，能够在体外高灵敏的检测DNA的微损伤，对物质生物安全性评估、癌症早期预警、药物筛选等都具有非常重要的科学意义。

目前，体外DNA损伤的检测方法有很多种，例如文献(Shu,X.,etal.Angew.Chem.Int.Ed Engl.2016,55,14246-14249)以及文献(Wu,J.J.Am.Chem.Soc.2018,140,9783-9787)均需要利用全基因组方法，并且需要体内蛋白酶的辅助，检测方法复杂。又如文献(Zirkin,S.,et al.J.Am.Chem.Soc.2014,136,7771-7776)利用荧光成像方法，而且需要DNA损伤密度较高才能够检测到，因此需要的检测仪器复杂、不方便、且方法灵敏度低。再如，中科院物理研究所王鹏业研究员利用原子力显微镜(AFM)和磁镊研究了抗癌药物顺铂对单个DNA分子结构的影响；在顺铂浓度为77μM和770μM条件下研究了顺铂对DNA的影响。基于AFM成像和单分子拉伸两方面的实验结果，提出一个顺铂导致的DNA变软-成环-缩短-凝聚模型来解释观察到的DNA凝聚过程(Hou X M,etal.Nucleic Acids Research,2009,37,1400-1410.)。然而这些方法需要高剂量的损伤剂和高富集的核酸才能保证信号放大程度，这使得它们不适合在体内检测浓度为pM量级(Gietema,J.A.,et al.Lancet 2000,355,1075-1076.)的超低剂量药物的低发生率DNA损伤，因此亟待发展能够检测到pM量级致基因损伤药物(如顺铂)对DNA的损伤的高灵敏方法。