一种用于提取和体内长期监测游离DNA

生物界面在近年来的突破性研究大大推动了可穿戴设备的发展，这对于监测和实时了解个人健康意义重大。作为一种可穿戴模块，微针可以以微创方式从皮肤组织间质液中提取人们感兴趣的分析物进行研究。然而，目前来说，利用微针对大分子生物标记物同时进行高效提取和实时监测还非常困难。   有鉴于此，复旦大学方雪恩副研究员和孔继烈教授等人展示了一种CRISPR激活的石墨烯生物界面的协同效应，并基于此提出了一种用于提取和体内长期监测游离DNA（cell-free DNA，cfDNA）的即时在线（on-line）可穿戴微针贴片。该可穿戴微针贴片能够实时监测Epstein-Barr病毒、败血症和肾移植游离DNA，具有60%胎牛血清的抗干扰能力，在体内展现出长达10天的稳定灵敏度。对免疫缺陷小鼠模型的实验结果表明了该方法的可行性和实用性，有望长期在体内监测游离DNA，并用于早期疾病筛查和预后。相关工作以“Programmable CRISPR-Cas9 microneedle patch for long-term capture and real-time monitoring of universal cell-free DNA”为题发表在Nature Communications。  

  如图1所示，为了实现对目标DNA的实时监测，可穿戴微针贴片系统由喷涂功能柔性贴片和三电极导电微针（MN）组成。首先，研究人员用等离子体处理PDMS膜的表面，以增加膜的亲水性。然后，通过滴注1%壳聚糖溶液在PDMS膜上制备亲水膜。由于PDMS的柔软特性和弱表面附着力，在弯曲、拉伸和扭转过程中，渗滤微观结构会进行界面形变。受此启发，研究人员随后将碳纳米管沉积在改性的PDMS膜上，所形成的碳纳米管图案可充当反向离子导入室，分离带负电的化合物（例如核酸或抗坏血酸）。最后，将导电CRISPR微针阵列作为工作电极连接到CNT图案的阳极侧。这种CRISPR MN在实时检测中具有三种功能：（I）插入表皮以分离和富集靶标DNA；（II）由固定在CRISPR MNs表面的Cas9/sRNA特异性地进行CRISPR基因编辑；（III）所形成三电极系统用以记录电信号。  

图1 CRISPR-Cas9活化的石墨烯生物界面用于提取和实时监测cfDNA   接着，研究人员进一步阐述了该可穿戴贴片的实时监测能力：（I）在该CRISPR微针系统中，由Cas9酶所形成的Cas9/sgRNA（dRNP）可作为持续搜索和识别目标DNA的驱动力；（II）MNs上的石墨烯生物界面则提供了高效的荷电化合物相互作用和电子传输。石墨烯表面的dRNP与CRISPR基因编辑靶标的杂交不仅改变了石墨烯界面通道的电导率，而且导致反离子积累。因此，在石墨烯表面生成了离子渗透层以保持电荷中性。本体溶液和离子渗透层之间的离子浓度差异则产生了Donnan电位。因此，记录的输出电信号可以反映对目标cfDNA的实时识别情况（图2）。基于上述方法，该CRISPR微针系统可成功实时监测Epstein-Barr病毒、败血症和肾移植cfDNA，并有望进一步扩展应用于其他cfDNA衍生疾病的长期实时监测和早期诊断。  

图2 CRISPR MN可穿戴系统在小鼠上演示功能   论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-31740-3    

审核编辑 ：李倩