Page 147 - 南京医科大学学报自然科学版

第41卷第3期 沈 俊，陈 莹，王 鑫，等. 基于纳米材料的临床检验与诊断技术研究进展［J］.
2021年3月 南京医科大学学报（自然科学版），2021，41（03）：450-459 ·453 ·

片段扩增分析中存在一定问题 ［18］ ，尽管人们发现在
3 纳米材料在核酸检测分析中的应用
PCR体系中加入如二甲基亚砜 ［34］ 、BSA ［34］ 、单链结合
［35］
3.1 纳米层析技术 蛋白（single strand DNA⁃binding protein，SSB） 等作
纳米层析试纸条是一类基于横向流动检测（late⁃ 为增强剂（enhencer）可促进 PCR 扩增，但总体效果
ral flow assay，LFA）可用于对 PCR 扩增 ［28-29］ 、杂交链 仍不甚理想。
反应（hybridization chain reaction，HCR） 、环介导 随着纳米技术在生命科学领域的逐步渗透，纳
［30］
等温扩增技术（loop⁃mediated isothermal amplifica⁃ 米材料辅助 PCR（nanoPCR）技术受到了广泛关注。
［31］
tion，LAMP） 等扩增获得的核酸产物进行快速验 现有研究表明，纳米粒子在PCR反应体系中的作用
证的装置。相比传统的电泳、成像等方法，使用基 主要体现在3个方面。①与DNA 分子结合：纳米粒
于纳米层析试纸条的纳米层析技术对核酸产物进 子（如AuNP、碳纳米管等）可与单链DNA结合，从而
行验证不需要昂贵的仪器，操作简便，且具有耗时 减少引物和单链DNA模板之间的错配。此外，一些
短、特异性强等优点，适合在设备条件有限的地区 纳米粒子也可以促进 PCR 反应过程中 DNA 模板的
应用，同时也可以满足POCT的需求 ［31-32］ 。 双链解离，降低解链温度 ［18，36-37］ 。②与 DNA 聚合酶
Ying 等 ［30］ 使用纳米层析试纸条检测通过杂交 相互作用：一些纳米粒子可增强 DNA 聚合酶的活
链反应获得的扩增产物复合体，开发了一种针对沙 性，但过高浓度的纳米粒子会对DNA聚合酶产生抑
门菌属 16S rRNA 的可视化检测方法（图 2），其检测 制作用，这种抑制作用在一定程度上可以通过增加
限为3×10 CFU/mL。 DNA聚合酶使用量来抵消 ［18，37］ 。③纳米粒子具有优
3
良的热传导性，可使PCR反应体系更快地达到设定
温度，提高扩增效率，并使引物和模板之间更高效
地配对 ［18，36］ 。
有 研 究 报 道 了 一 种 对 食 脑 阿 米 巴 原 虫 的
NanoPCR 检测方法，他们将石墨烯氧化物、氧化铜
样本区 检测线 质控线 和氧化铝3种纳米材料加入普通PCR体系中，实现了
结合区
对几种阿米巴的快速诊断，且核酸扩增产物的电泳条
带灰度值为不加纳米粒子对照组的1.25~2倍，可见
纳米金⁃链霉亲和素 生物素⁃牛血清蛋白
纳米金 生物素 其扩增产率增加 ［36］ 。Yang 等 ［37］ 在 PCR 体系中加入
不同浓度的AuNP，分别使用Pfu聚合酶和Taq聚合酶
链霉亲和素
牛血清蛋白 成功扩增了富含鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的片段，为
抗Fam抗体
基因组中富GC片段的扩增提供了一种可行的方法。
图2 纳米层析试纸条 ［30］
Figure 2 lateral flow nucleic acid test strips ［30］ 3.3 纳米孔测序技术
上世纪70年代中期，以双脱氧链终止法（Sanger
［39］
3.2 纳米材料辅助PCR技术 法） 为代表的第 1 代测序技术的出现开启了人类
自聚合酶链式反应（PCR 技术）出现以来，人类 对基因组探索的历程。1990—2003 年的人类基因
对 DNA 和 RNA 的检测和分析能力不断进步，现已 组计划（human genome project，HGP）直接推动了测序
成为诊断疾病的一项重要手段。PCR 技术是现代 技术的发展，此后，测序技术发展迅猛，第2代、第3代
生物学和体外诊断领域中最基本且最受欢迎的技 测序技术应运而生。
术之一，可将极微量的 DNA 扩增数百万倍，使其达 纳米孔是一种纳米大小的孔，由生物分子自组
到可检测的水平，被广泛应用于诸多领域。自该技 装或在固体基质上进行物理钻孔形成，可分为生物
术诞生以来，大量研究人员从试剂、仪器和 PCR 程 纳米孔、固态纳米孔以及由两者结合而成的复合纳
序层面对其进行了改进和优化，大大提高了扩增效 米孔3类。纳米孔测序的基本原理是将电流应用于
率，并逐渐发展出巢式 PCR、多重 PCR、RT⁃PCR、荧 纳米级的分子孔，然后使遗传物质从中通过，由于
光定量 PCR、数字 PCR 等适用于不同目的、高灵敏 构成遗传物质的碱基的分子结构和体积存在差异，
度的方法 ［33］ 。但与敏感性的提高相比，PCR 技术的 不同碱基穿过纳米孔时引起不同的电流变化，由此
［40-41］
特异性仍未达到标准，并在对富含GC片段、DNA长 即可得出所测 DNA 或 RNA 的序列信息（图 3） 。