外泌体在调节细胞增殖、细胞分化、肿瘤发展、肿瘤转移和耐药性方面起着至关重要的作用。研究表明，外泌体在维持女性生殖系统正常和规律的功能中也发挥着重要作用，并被认为是卵巢肿瘤的新型诊断标志物。然而，目前的外泌体分析方法，如蛋白质印迹试验、酶联免疫吸附和纳米颗粒跟踪分析等面临操作复杂、成本高、灵敏度有限等问题，难以满足临床诊断的需求；与其同时，虽然外泌体分析新方法研究近几年得到了相关领域科学工作者的高度重视，新技术不断出现，但用于卵巢肿瘤外泌体分析的报道却相对较少。
近期，南京大学生命科学学院李根喜教授课题组与南京市妇幼保健院贾雪梅教授课题组合作，通过设计熵驱动的自催化DNA电路构建了一种电化学生物传感器，可用于卵巢癌衍生外泌体的灵敏准确检测。该工作以“An electrochemical biosensor designed with entropy-driven autocatalytic DNA circuits for sensitive detection of ovarian cancer-derived exosomes”为题发表在Biosens & Bioelectron上 (2024 Jan 23:250:116060). 南京大学博士研究生邓颖为论文第一作者，李根喜教授和贾雪梅教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金以及中央高校基本科研基金的支持。
核酸电路因其固有的可编程性、精确识别能力和良好的生物相容性而备受关注。其中，熵驱动DNA电路（entropy-driven circuit, EDC）引起了相当大的关注，它利用额外释放的寡核苷酸引起的熵增加来推动反应，从而实现非酶促等温放大反应。这种反应方式具有出色的信号放大效果，非常适合于靶标的灵敏检测。基于这些特点，该研究团队设计了熵驱动的自催化DNA电路（entropy-driven autocatalytic DNA circuit, EADC），并进一步研制了一种电化学生物传感器，实现了卵巢癌来源外泌体的高灵敏度检测。如图1所示，EADC本质上是一种设计的核酸自组装系统，它涉及四个核心部件：AID探针、SPD探针、含有input DNA类似物的底物（ICHS）和外泌体。当外泌体不存在时，AID探针和SPD探针都保持亚稳态，并且不会相互发生杂交。然而，在外泌体存在时，AID探针中的MUC1适配体序列会与外泌体上的蛋白质结合并释放出input DNA，这些DNA可以作为燃料，与SPD探针杂交并发生链置换反应，从而释放两个DNA核酶序列。此后，DNA核酶切割修饰在电极表面的ICHS，释放出input DNA类似物，并重复上一轮的循环反应，继而构成完整的闭合回路。同时，固定在ICHS的3'端上的电活性分子亚甲基蓝（MB）会随着input DNA类似物的释放而远离电极表面，电化学响应会发生显著变化，因而可用于靶标外泌体的定量分析。
图1 基于熵驱动自催化DNA电路的生物传感器用于灵敏检测卵巢癌源外泌体的示意图。图片来源：Biosensors and Bioelectronics
该研究提出的方法具有以下优势。首先，DNA电路和DNA核酶介导的信号放大过程使得生物传感器具有较高的灵敏度，能够实现低丰度目标外泌体的检测；其次，EADC不涉及复杂的材料或酶，在节省成本的同时也简化了实验操作；第三，基于电化学的策略易于与小型化设备集成，有望发展成为便携式诊断设备。
李根喜教授课题组长期从事基于生物传感的生化分析新方法及临床检验应用方面的研究工作，近几年针对外泌体分析新技术开展了一些研究工作，如基于同型膜融合的识别策略（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144: 13475-13486）、球形核酸级联信号放大策略（Biosensors and Bioelectronics, 2021, 191: 113465）、无模版扩增策略（Chem. Commun., 2021,57, 8508-8511），借助外泌体结构的空间位阻效应（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12: 322-329；Chem. Commun., 2020, 56: 13768-13771）、外泌体膜上的磷酸结构与锆离子的配位作用（Chem. Commun., 2019, 55: 2708-2711；Anal. Chem., 2020, 92: 3819-3826），利用二维或三维共价有机框架材料（Biosensors and Bioelectronics, 2020, 169: 112638; Anal. Chem., 2022, 94: 5055-5061; Anal. Chem., 2022, 94: 15139-15145）、纳米催化材料（ACS Materials Lett., 2023, 5: 282-290），提出了多种外泌体分析新方法，为基于生物传感的分子诊断技术提供了新思路。卵巢癌早期缺少症状，即使有症状也不特异，筛查的作用有限，早期诊断比较困难，而晚期病例疗效不佳，因此，虽然卵巢癌的发病率低于宫颈癌和子宫内膜癌居妇科恶性肿瘤的第三位，但死亡率却超过宫颈癌及子宫内膜癌之和，高居妇科癌症首位，是严重威胁妇女健康的最大疾患。为此，南京大学生命科学学院李根喜教授课题组与南京市妇幼保健院贾雪梅教授课题组合作，针对卵巢癌早期诊断新技术开展工作，并取得了多项成果。
参考文献：
An electrochemical biosensor designed with entropy-driven autocatalytic DNA circuits for sensitive detection of ovarian cancer-derived exosomes, Biosensors and Bioelectronics, 250 (2024) 116060.
外泌体资讯网 Biosens & Bioelectron│南京大学李根喜/南京市妇幼保健院贾雪梅：熵驱动自催化DNA电路设计及卵巢癌外泌体分析
