纳米孔测序可检测数十种疾病生物标志物

在过去的三十年里，纳米孔测序已经成为最实惠、最有效的DNA测序方法。这种方法通过纳米宽的通道将DNA链拉过膜，可以读取比传统技术更长的DNA序列。纳米孔测序使科学家能够分析基因组的复杂部分，但尽管该技术在解析DNA方面非常出色，它不适用于其他可以作为疾病标记的生物分子。

现在，伦敦帝国理工学院的研究人员已经找到了绕过这一限制的方法。通过使用小块DNA作为其他生物分子的条形码，研究人员利用纳米孔测序的力量在血液样本中识别了数十种不同的疾病生物标志物。在9月25日发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中，该团队证明，该策略可以同时检测人类血清中的40种生物标志物，包括蛋白质、称为微小RNA的小RNA片段以及脑细胞传播的化学物质（神经递质）。

Ivanov、化学教授Joshua Edel和他们在帝国理工学院的团队与牛津纳米孔技术公司的研究人员合作，该公司制造了世界上唯一的商业纳米孔测序仪。该机器产生电场，将长DNA链拉过小于3纳米的孔。当一条链穿过一个孔时，孔限制了样品中离子的通过，导致可用于识别单个核苷酸的电场发生微小变化，这些DNA碱基通常被称为字母A、C、G和T。

但Ivanov说，其他生物分子要么太小，无法被纳米孔测序检测到，要么太大，无法通过。他说，即使它们能挤过毛孔，测序仪产生的信号也可能是非特异性的。例如，两种蛋白质可以具有相似的电子特征，但具有完全不同的生物功能。

为了解决这个问题，该团队制作了30个核苷酸长的小DNA片段，这些片段就像不同生物标志物的独特条形码。他们将每个条形码连接到与特定疾病生物标志物结合的特殊“探针”分子上，无论是蛋白质、神经递质还是其他什么。在将这些DNA条形码探针添加到血液样本中后，研究人员将其通过纳米孔测序仪。

这时机器学习算法开始发挥作用。该团队训练算法，从同时读取不同生物标志物的多个条形码时产生的混乱信号中识别每个唯一条形码的核酸序列。

Ivanov说：“我们用这些探针在样本中找出感兴趣的分子。我们知道哪个条形码对应于哪个探针。这使我们能够检测溶液中是否存在分子。在某种程度上，我们正在对溶液中的内容进行指纹识别。”

“It was the synergy of bringing it all together that makes this work important. This includes the precision with which you sequence, the ability to control the transport of the analyte, and also elements of machine learning to be able to reconstruct the signal.”

—ALEKSANDAR IVANOV, PROFESSOR OF CHEMISTRY, IMPERIAL COLLEGE LONDON

Edel说，将DNA条形码和纳米孔测序相结合，通过将选择性和敏感性配对，可以更有效地筛查疾病，从而形成一种强大的技术。“在个性化医学的背景下进行更有效的诊断和筛查，有两个方面在起作用。一种是通过检测一系列生物标志物来获得更好的患者快照。对于某些疾病，生物标志物——尤其是在早期阶段——其浓度非常低。因此，能够在低浓度下单独检测是绝对关键的。”

在论文中研究人员表明，他们的技术可以在人类血液样本中检测到40种不同的生物标志物。但Edel说，他们现在正致力于将检测上限提高到100。“就上限而言，它可能接近1000，”他说，“这才是大局，才是长远眼光。”