深圳大学董海峰教授：DNA水凝胶微针贴片，无创检测癌症相关靶标

大量研究表明，miRNAs的异常表达与肿瘤的发生和迁移高度相关。它被认为是肿瘤早期诊断和临床治疗的潜在生物标志物。最近的实验证据表明，在血液中发现的所有类型的RNA也以相似比例存在于间质液中。对无创采样和个性化生理监测的需求不断增长，激发了人们对可作为生物标志物信息库的ISF进行探索的兴趣。因此，开发一种强大的微创方法在皮肤ISF中取样足够的靶点是势在必行的。由于miRNA在ISF中的表达水平较低，样本量有限，因此对ISF中miRNA的检测提出很大的挑战。

为解决这一问题，深圳大学董海峰教授团队构建了由甲基丙烯酸透明质酸(MeHA)包裹的智能DNA水凝胶系统组成的微针贴片，用于快速采样和敏感检测皮肤ISF中的miRNA生物标志物。MeHA/DNA基质具有极高的亲水性，可在较短时间内提取足量的ISF (5 min, 0.97±0.2 mg)。此外，级联Toehold介导的DNA链置换信号扩增可以灵敏地检测低丰度的miRNA (低至241.56 pM)。该研究以题为“Microneedle Array Encapsulated with Programmed DNA Hydrogels for Rapidly Sampling and Sensitively Sensing of Specific MicroRNA in Dermal Interstitial Fluid” 的论文发表在《ACS NANO》上。

用于信号放大的DNA水凝胶制备及可行性验证

图1. DNA水凝胶的结构和链置换过程

DNA水凝胶呈现出三维聚合物网络结构，其由 6 条单链 DNA（S-1 至 S-6）制备而成，分为长双链 DNA（[S-1/S-2] n）和交联剂（CL）。[S-1/S-2] n和 CL 都有悬浮的单链 DNA（绿色），DNA水凝胶是由二者悬浮单链之间的杂交形成的。天然聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)证实了DNA水凝胶的成功形成和Toehold介导的链置换过程。透射电子显微镜(TEM)图像显示了DNA水凝胶微粒平均大小为700 nm。此外，进一步使用FL光谱分析来研究其可行性，与对照组相比靶miRNA引起的S-6置换触发FL恢复(绿色曲线)，而燃料探针的加入进一步导致FL急剧增加(红色曲线)。

MN的制备和表征

图 3. 交联 MeHA/DNA-MNs 贴片制造工艺示意图及性能表征（形貌、机械强度、生物毒性、溶胀性等）

为了制备 MeHA/DNA-MN，将 MeHA 水溶液和 DNA 水凝胶充分混合，然后倒入 PDMS 模具中（该模具是利用摩方精密的nanoArch P150微纳3D打印设备打印微针阵列，结合PDMS翻模制成），在蓝光照射下交联并在室温下干燥。最后，从模具中剥离干燥的 MeHA/DNA-MNs 贴片。获得的 MeHA-MNs 贴片是15 × 15 的针头阵列，尖端锋利，高度为 860 ± 10 μm，底宽约为 340 ± 10 μm，针间距约为 800 μm。放大扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示MeHA/DNA 水凝胶具有均匀分布的孔隙，这种互穿网络结构增加了 MN 的表面积和对样品的提取。通过压缩实验证实了交联的 MeHA-MNs 贴片和 MeHA/DNA-MNs 贴片具有相似的机械强度，表明 DNA 水凝胶对机械强度的影响很小。组织学研究显示穿透深度为 250 ± 20 μm，表明 MN 可以穿透表皮（厚度为 50-150 μm）以到达真皮。交联的 MeHA/DNA-MNs 贴片在琼脂糖凝胶中 15 分钟内可提取 86.6 ± 2.7 μL液体。

通过 MeHA/DNA-MN 进行体外 miRNA 成像

图4. 探究在琼脂糖和新鲜猪皮模型中MeHA/DNA-MN miRNA 成像性能

为了测试 MN 贴片原位采样和检测 miRNA 的能力，首先研究了其在琼脂糖凝胶和暴露于不同浓度 miRNA-155 的新鲜猪尸体皮肤中检测 miRNA的性能。结果表明，在琼脂糖凝胶中可检测到低至 241.56 pM 的 miRNA。接着研究了其区分各种类型 miRNA 的能力，miRNA-155产生的FL强度分别是miRNA-205和miRNA-21产生的FL信号的2.19倍和2.39倍，这表明MNs检测具有良好的特异性。使用新鲜猪尸体皮肤模型验证了 MNs 对体外 miRNA 检测的敏感性和选择性，与对照（没有 miRNA 预处理）和 miRNA-205、miRNA-21 预处理相比，MNs 穿透与 miRNA-155 孵育的猪尸体皮肤显示出更高的 FL 发射，有力地证实了 MeHA/DNA-MNs 具有很好的在采样和分析皮肤 ISF 中的 miRNA 方面的潜力。

通过 MeHA/DNA-MN 进行体内 miRNA 成像

图 5. 在小鼠模型中使用 MeHA/DNA-MNs 贴片提取皮肤 ISF 和 miRNA 的 FL 信号分析

使用小鼠模型来研究体内 MN 贴片的特性。将 MN 贴片压入小鼠背部皮肤，去除 MNs 贴片后微孔在 5 分钟内变得不可见， 30 分钟后皮肤未观察到红斑或水肿，验证了MNS不会引起任何炎症反应。为了研究体内毒性，健康小鼠和荷瘤小鼠用MN处理后处死小鼠，取主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏）进行H&E 染色，微针植入后器官未见明显病理变化或毒性反应。MN 能够在 5 分钟内从小鼠实验中提取 0.97 ± 0.2 mg（约 0.97 ± 0.2 μL）的 ISF。此外，探讨了该平台用于检测肿瘤小鼠中 miRNA的性能。穿透无肿瘤小鼠MN 的 FL 强度比荷瘤小鼠低 1.58 倍，这有力地证实了 MeHA/DNA MNs 在体内采样和分析皮肤 ISF 中 miRNAs 的巨大潜力。

结论

作者开发的MeHA/DNA-MNs贴片不仅具有高机械强度以穿透皮肤，而且具有高亲水性，可以在短时间内提取足够的ISF。在 DNA 凝胶中精心设计了一个级联的Toehold介导的 DNA 置换反应检测系统，用于 ISF 中的 miRNA 信号放大分析。设计的贴片在小鼠模型实验中显示出在小鼠模型中有效且灵敏地监测乳腺癌相关 miRNA 的良好能力。MeHA/DNA-MNs 在临床应用中具有微创个性化诊断和实时健康监测的巨大潜力。

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06261

来源：高分子科学前沿