一種用于提取和體內(nèi)長期監(jiān)測游離DNA

生物界面在近年來的突破性研究大大推動了可穿戴設(shè)備的發(fā)展，這對于監(jiān)測和實時了解個人健康意義重大。作為一種可穿戴模塊，微針可以以微創(chuàng)方式從皮膚組織間質(zhì)液中提取人們感興趣的分析物進行研究。然而，目前來說，利用微針對大分子生物標記物同時進行高效提取和實時監(jiān)測還非常困難。 有鑒于此，復(fù)旦大學(xué)方雪恩副研究員和孔繼烈教授等人展示了一種CRISPR激活的石墨烯生物界面的協(xié)同效應(yīng)，并基于此提出了一種用于提取和體內(nèi)長期監(jiān)測游離DNA（cell-free DNA，cfDNA）的即時在線（on-line）可穿戴微針貼片。該可穿戴微針貼片能夠?qū)崟r監(jiān)測Epstein-Barr病毒、敗血癥和腎移植游離DNA，具有60%胎牛血清的抗干擾能力，在體內(nèi)展現(xiàn)出長達10天的穩(wěn)定靈敏度。對免疫缺陷小鼠模型的實驗結(jié)果表明了該方法的可行性和實用性，有望長期在體內(nèi)監(jiān)測游離DNA，并用于早期疾病篩查和預(yù)后。相關(guān)工作以“Programmable CRISPR-Cas9 microneedle patch for long-term capture and real-time monitoring of universal cell-free DNA”為題發(fā)表在Nature Communications。

如圖1所示，為了實現(xiàn)對目標DNA的實時監(jiān)測，可穿戴微針貼片系統(tǒng)由噴涂功能柔性貼片和三電極導(dǎo)電微針（MN）組成。首先，研究人員用等離子體處理PDMS膜的表面，以增加膜的親水性。然后，通過滴注1%殼聚糖溶液在PDMS膜上制備親水膜。由于PDMS的柔軟特性和弱表面附著力，在彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)過程中，滲濾微觀結(jié)構(gòu)會進行界面形變。受此啟發(fā)，研究人員隨后將碳納米管沉積在改性的PDMS膜上，所形成的碳納米管圖案可充當反向離子導(dǎo)入室，分離帶負電的化合物（例如核酸或抗壞血酸）。最后，將導(dǎo)電CRISPR微針陣列作為工作電極連接到CNT圖案的陽極側(cè)。這種CRISPR MN在實時檢測中具有三種功能：（I）插入表皮以分離和富集靶標DNA；（II）由固定在CRISPR MNs表面的Cas9/sRNA特異性地進行CRISPR基因編輯；（III）所形成三電極系統(tǒng)用以記錄電信號。

圖1CRISPR-Cas9活化的石墨烯生物界面用于提取和實時監(jiān)測cfDNA 接著，研究人員進一步闡述了該可穿戴貼片的實時監(jiān)測能力：（I）在該CRISPR微針系統(tǒng)中，由Cas9酶所形成的Cas9/sgRNA（dRNP）可作為持續(xù)搜索和識別目標DNA的驅(qū)動力；（II）MNs上的石墨烯生物界面則提供了高效的荷電化合物相互作用和電子傳輸。石墨烯表面的dRNP與CRISPR基因編輯靶標的雜交不僅改變了石墨烯界面通道的電導(dǎo)率，而且導(dǎo)致反離子積累。因此，在石墨烯表面生成了離子滲透層以保持電荷中性。本體溶液和離子滲透層之間的離子濃度差異則產(chǎn)生了Donnan電位。因此，記錄的輸出電信號可以反映對目標cfDNA的實時識別情況（圖2）?；谏鲜龇椒ǎ揅RISPR微針系統(tǒng)可成功實時監(jiān)測Epstein-Barr病毒、敗血癥和腎移植cfDNA，并有望進一步擴展應(yīng)用于其他cfDNA衍生疾病的長期實時監(jiān)測和早期診斷。

圖2CRISPR MN可穿戴系統(tǒng)在小鼠上演示功能 論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-31740-3

審核編輯 ：李倩