Anal. Chem.：复旦大学魏大程团队研发基于催化发夹组装（CHA）增强的石墨烯晶体管用于超灵敏miRNA检测

《背景介绍》

MicroRNAs (miRNAs)是一类长度约为22 nt的非编码小RNA，通过转录后调控基因表达参与多种生理和病理过程。miRNA的异常表达与疾病的发生和发展密切相关，已成为疾病诊断和筛查的有力生物标志物。miRNA的短序列、低丰度和高同源性，对检测技术的灵敏度和特异性提出了高要求。传统的miRNA分析方法主要包括Northern印迹杂交、微阵列、逆转录聚合酶链式反应和RNA测序。Northern印迹杂交是最广泛使用的检测miRNA的方法之一，但其操作较为繁琐，耗时长(数小时至数天)，且灵敏度较低(nM)。传统的微阵列方法尽管具有快速、高通量检测miRNA的能力，但其对单碱基区分的特异性难以满足要求。RNA测序和逆转录聚合酶链式反应可以准确检测miRNA，但其高昂的成本以及对专用仪器和专业操作人员的需求限制了其在传统实验室外的广泛应用。

近期，复旦大学魏大程课题组报道了用于超灵敏miRNA检测的催化发夹组装增强石墨烯晶体管，相关成果以“Catalytic Hairpin Assembly-Enhanced Graphene Transistor for Ultrasensitive miRNA Detection”为题发表在化学专业期刊Analytical Chemistry上（DOI: 10.1021/acs.analchem.3c02433）。

研究的主要内容

石墨烯场效应晶体管(GFET)提供了简单和无标签诊断的可能。本文构建了一种基于DNA四面体纳米结构(TDN)辅助催化发夹组装(CHA)反应(TCHA)的GFET生物传感器，并将其应用于miRNA-21的灵敏和特异性检测。通过构建TDN结构的生物传感界面，一方面为反应提供自由空间，另一方面防止探针在石墨烯沟道上不必要的缠结、聚集和吸附，从而促进CHA反应进行。由于TDN辅助的传感界面核酸原位扩增，以及GFET固有的高敏感度，该生物传感器对miRNA-21的检测限低至aM，比单链DNA探针沟道功能化的GFET检测限低约3个数量级。细胞中miRNA-21含量的测试结果与先前发表的文献类似，与正常的MCF-10a细胞相比，miRNA-21在MCF-7和Hela细胞中过量表达。此外，TCHA-GFET生物传感器测量的三种细胞miRNA-21含量和表达趋势与RT-PCR结果相符，表明了检测的准确性和在实际样品分析中的适用性。

图一：TCHA-GFET生物传感器

图二：细胞提取物中miRNA-21的检测

小结

此外，本工作构建了一个基于TDN辅助CHA反应的GFET传感平台，用于高灵敏和选择性的miRNA-21检测。与众多miRNA检测分析技术相比，该传感器在检测限方面表现出优异的性能。该生物传感器在选择性、稳定性和重复性方面表现出优异的分析性能。通过对复杂血清环境和细胞提取物的分析，验证了该传感器的实用性，在生物分析中具有良好的适用性。值得注意的是，该生物传感器能为miRNA之外的其他靶标提供一个通用的检测平台，因为包括金属离子、蛋白质、酶甚至癌细胞在内的各种分析物都可以集成到CHA策略中。该TCHA-GFET传感系统作为一种可靠、无需标记、无酶的便携式设备，在疾病诊断和预后中具有应用潜力。