重磅:基因检测或将进入可植入时代

2016-06-18 19:26:54来源: 奇点网
    我还记得去年在看可穿戴健康设备的时候,心中突发奇想,「现在都有监测心率、运动状态和血糖水平的可穿戴设备了,要是人体的基因突变状况可以连续实时监测的话,那该有多好哇。」以我有限的智商,我能想到的应用包括,癌症的早期筛查和治疗后监测。要是真可以这样的话,患者可以时刻掌握自己的健康状态。那真是妙不可言。

  当然,我一直觉得那仅仅是个美好的幻想而已。没想到,竟让加州大学圣迭戈分校的Ratnesh Lal团队实现了。科学家们用他们的研究论文再一次给我上了一课:「梦想还是要有的,万一实现了呢!」6月13日,Lal团队的研究成果刊登在《美国科学院学报》上(1)。

  Ratnesh Lal教授

  实际上Lal研发的这个设备检测的内容跟23andMe一样,都是检测人体特定的基因突变位点(SNPs)。尽管目前科学家对大部分的SNPs的作用还不是很清楚,但是科学家也已经找到了跟癌症、糖尿病、心脏疾病、神经性疾病、自体免疫和炎性疾病等有关的特殊SNPs。Lal教授就是研发了一款可以实时检测跟疾病相关SNPs的可植入芯片。

  这款芯片的结构也很简单,就是将可以找到特殊SNP的探针固定到石墨烯场效应晶体管(field-effect transistor,FET)上,一旦跟疾病有关的特定SNP出现,探针就会捕获它们,电信号就在这一瞬间产生了。然后芯片会把信号发送到手机上,提醒用户体内出现跟疾病相关的基因突变了。这个时候,我们就该放下手中的活,去医院做进一步的检查了。

  仅从原理上看,这个设备除了在将来会具备实时监测并发送信号的功能之外,与传统的DNA芯片似乎没有太大区别。实际上,这个设备远没有这么简单,它的功夫全体现在细节上。细细数来,它具备现在SNPs检测设备不具备的三大优势。

    首先,与传统DNA芯片的单链探针不同,Lal教授研发的这款芯片是双链探针,只是在探针和芯片的连接处,有一段儿是单链。那些人就要问了,这双链探针怎么捕捉游离的DNA啊?Lal教授对这个特殊的探针做了改造,那条固定在石墨烯场效应晶体管上的链是正常的链,可以捕获携带特殊SNP的DNA片段;探针上另一条链较短,而且经过改造,与正常链结合的比较松,当携带特殊SNP的DNA片段从下面开始跟探针结合的时候,那个短链就会自动脱落。据Lal教授介绍,这种设计可以大大地避免探针抓错对象,大幅提高检测的准确性。

  长度为47nt的双链探针,靠近石墨烯场效应晶体管的部分有7nt单链。后面是目标基因片段结合探针的过程

  其次,将探针连接到石墨烯场效应晶体管上这一设计,将探针捕捉携带特殊SNP的DNA片段这一过程,成功的转换成电信号。这可是DNA动力学与高分辨率电信号有史以来第一次结合在一起。就是这个结合创造了奇迹,促使利用手机监测体内特定基因突变成为可能。

  最后,双链探针还有个巨大的好处。就是可以把探针设计的很长。学过生物的都知道,探针越长,检测的结果越准确。前段时间韩春雨老师发现的NgAgo基因编辑技术,就是因为引导部分比CRISPR长了一点,准确性就一下子提高了上千倍。因为Lal教授使用的是双链探针,所以探针本身不会结合,这样探针的长度就可以大大地延长。据Lal教授论文报道,他们用过47个碱基的探针,这可是检测SNPs历史上最长的探针了。毋庸置疑,这个芯片的准确性又大大提高了。

  靶向DNA片段结合前(左),靶向DNA片段结合后(右)

  本研究论文的共同第一作者Preston Landon表示,当前检测SNPs需要复杂的设备,而且过程相对较慢,费用较高。他们研发的这个芯片相对简单、快速、价格低廉,更厉害之处在于,可以配合手机一起使用,实时监测体内特殊基因突变情况。

  据Lal教授介绍,目前他们的研究还处于早期阶段,但是他们已经向基因突变实时监测,并将突变状况发送到手机上迈出了第一步。接下来他们会进一步优化技术,并给芯片添加无线连接和传输功能。时机成熟,他们会将芯片带入临床,并开展液体活检试验。Lal教授认为,他们的这项技术将引领新一代检测和精准治疗方法。

  从这款设备的技术原理来看,这一发明的确足够激动人心。尤其是在癌症的早发现和治疗后监测上,可以给我们带来无限的想象空间。而且一旦这项技术成熟,也会促进癌症的相关基础研究,尤其是在肿瘤的进化上。但是从目前来看,它也有一些缺陷。最主要的应该就是可同时监测的位点少。另外一个大问题就是基础研究目前还没有跟上,还没有办法直接证明基因突变可以预测发病的风险。这也是23andMe和FDA闹别扭的原因所在。

  但是无论如何,我对这个技术还是非常看好。看看目前液体活检的发展趋势就知道了。6月1日,FDA批准了罗氏的非小细胞肺癌EGFR基因突变检测技术,这是FDA批准的第一个液体活检产品,这就意味着罗氏成为第一个可以使用液体活检诊断癌症的公司。另外,6月4日,位于加州的创业公司Guardant Health在刚刚闭幕不久的美国临床肿瘤学会2016年年会上发布了振奋人心的研究数据,表明液体活检有取代组织活检的实力。

  这些都表明,基因突变与癌症之间的关系正在逐渐确立。我们有理由相信,可植入基因突变实时检测设备迟早会走进我们的生活。

关键字:基因检测  血糖  可穿戴设备

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_201606186622.html
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