Nature：新DNA技术开辟医学诊疗新纪元

　　

图片1说明：新的静 电成像技术可通过肉眼直接检测DNA点阵列。

 

 

图片2说明：新的DNA检测技术 建立在二氧化硅与杂交DNA间的静电斥力上。肉眼可见芯片表面双链DNA（红色），单链DNA（蓝色）。

 

理想的个性化医学 治疗、个性化诊断、个性化疾病风险预测和个性化治疗都建立在病人基因图谱，可能是最富有的国家最先进的诊疗所配有的诊疗技术。一队研 究小组与美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室发明了一种新的DNA或RNA测定技术，应用于遗传图谱和疾病诊断的技术，通过该项新技术 可进行直观的观察和评估而不需要精巧的化学标签或是高级的仪器。新的技术建立在静电斥力（具有相同的电性的物体会相互排斥）上，这是 一项简单而又廉价的技术，并且检测耗时只需几分钟。

Jay Groves说，最令人惊喜的事情是，我们的静电检测技术可实现用肉眼即可观 察到结果，而现阶段的检测技术都需要化学标记或是共聚激光技术才能观察到。Jay Groves是伯克利加利福尼亚大学伯克利实验室物理生物科 学和化学系的化学家，也是主持这项研究的科学家。我们相信DNA微阵列技术将是研究领域和诊断领域的重大变革。

Groves（霍 华德休斯医学院HHMI的研究员）以及研究小组的Nathan Clack 和 Khalid Salaita将研究结果发表在《Nature Biotechnology》的在线版。研 究性文章的标题是：Electrostatic readout of DNA microarrays with charged microspheres。

文章中，Groves，Clack，和 Salaita描述在DNA微阵列表面如何使用流动的带电球或是二氧化硅球来观察布朗运动，并测量DNA分子的带电情况。这种技术可在同一时间一次 测量数百万的DNA序列。更有甚者，这些测量结果可以直接观察，并用手提式的显像装置记录（甚至手机摄像机也能做到）。

Groves说，人们认为没有什么检测技术能比荧光标记检测技术更敏感了，但是这种说法不是完全准确的，因为我们的研究结果很快就能证实 这一说法不正确。我们的结果展示，由特殊的DNA杂交所引起的表面电荷密度的改变是可以检测到的，并且敏感性可达到50皮米，还可检测到单 个碱基对错配，该技术能在具有复杂的背景中进行检测。此外，我们的静电检测技术可应用于DNA和RNA点阵列，可在全世界范围内应用。

每个个体对某些疾病的易感性，机体对药物的反应，以及其他的反应都与个体独一无二的基因图谱有关。个性化的诊断、个性化 的用药治疗使得治疗风险降到最低，并更有针对性。但是，这需要准确的诊断技术和靶位疗法，准确的诊断技术和靶位疗法都可以通过DNA微阵 列技术完成，DNA微阵列是在指甲片大小的网格载体上包含有成千上万的细微的核苷酸（DNA长度约为20个碱基对）点阵。

通常 DNA微阵列被称为DNA芯片，DNA微阵列和它们的RNA副本阵列是研究基因表达图谱、鉴定基因突变和检测病人致病原因（基因与疾病间的关联或 是基因与耐药的关联）的最强有利的手段。除此之外，它还能应用于个性化的医疗，广泛使用基因芯片将对今天人类疾病的治疗带来深刻的影 响。比如说，根据两年前全球健康诊断论坛的报告，如果使用DNA芯片诊断技术，每年将能挽救400000肺结核病患者的性命，现阶段使用常规的 TB诊断方法，其中有半数的人因为诊断不及时而丧失生命。

然而到现在为止，DNA芯片使用是受到限制的，因为现在的技术主要 依赖荧光检测技术，荧光检测技术是一项费时费钱的技术，需要长时间的化学标记，高能量的能源激发产生荧光，以及昂贵精细的仪器来扫描 观察。这些要求在普通的实验室和诊断都不可能满足，尤其对发展中国家来说。然而，不需标记的DNA检测方法也是存在的，它们还不需要复杂 的装置或是高级的阅读仪器，还能在同一时间在一次实验中检测数百万的序列。

Groves说，我们在微米级和厘米级的阵列上进行 了平行实验。与传统的静电扫描显微镜相比我们的技术比常规的高超4个数量级。

在一个典型的实验中，将微阵列固定在支持物 上并与探针进行杂交（单链DNA的标准杂交技术，单链DNA杂交后形成杂交双链DNA分子）。接下来，将带有负电荷的二氧化硅球放于芯片表面， 这一过程持续20分钟。由于反应底物或者说芯片背景所带的是正电荷，二氧化硅球会分散到芯片的每个角落并固定在芯片上。而在芯片上的双 链DNA分子或是DNA单链分子带有大量的负电荷，结果带负电的二氧化硅球将轻轻地漂浮在芯片表面，在重力和电荷斥力中保持平衡状态。

这些芯片表面的静电相互作用导致的高负电荷密度很容易被观察到。芯片表面上方含有DNA片段的地方呈白色或半透明状，这就 表明，该区域的DNA与特定的探针杂交了，也就表明这里存在基因，突变或是存在有病原体。

我们的技术与100多年前Robert Millikan的实验的翻版，只是我们在数量级上提高至数百万，当时Robert Millikan通过单电子来观察电荷板上油滴漂浮的现象。

Groves说，我们现在短期的研究工作后面还有长期的研究需要进行，其中包括高密度的芯片应用检测和最终实践应用的检测。

自从我们以静电为基础的成像技术建立在实体微粒上而不是光线的衍射上，我们最终显示器可能是超微显微镜。这项技术真正的挑战是寻找适 当的合作伙伴，寻找市场所需要的产品。

原文标题：New electrostatic-based DNA microarray technique could revolutionize medical diagnostics
（生物通 张欢）