基于核酸适体的电化学生物传感器

收稿:2008年4月,收修改稿:2008年7月

　3国家自然科学基金项目(N o.20675029,90713018,20335020)、教育部基金(教人司[2000]26,教技司[2000]65)、湖南省科技计

划项目(N o.2007F J4147)、湖南省教育厅(N o.04C383,05A036)及电分析化学国家重点实验室项目资助33通讯联系人　e 2mail :xieqj @

基于核酸适体的电化学生物传感器

3

雷丽红

1,2

　傅迎春1　徐霞红1　谢青季

133

　姚守拙

1

(1.湖南师范大学化学化工学院化学生物学及中药分析教育部重点实验室　长沙410081;

2.湖南师范大学医学院　长沙410081)

摘　要　核酸适体是一类体外筛选且可与目标分子高效、高特异亲合的RNA 或DNA 寡核苷酸片段,与

常规识别分子(如抗体等)相比,核酸适体作为一类新型识别分子具有明显特色和优势,已被广泛应用于生物传感等分子识别和应用研究领域。本文就基于核酸适体的电化学生物传感器(标记型和非标记型)的近期进

展作简要评述,包括适体简介、标记型(“信号衰减”型、“信号增强”型、酶标记型和纳米粒子标记型)和非标记

型电化学适体生物传感器等内容。

关键词　核酸适体　电化学生物传感器　识别分子中图分类号:O657.1;Q52;TP212.3　文献标识码:A 文章编号:10052281X (2009)0420724208

Aptamer 2B ased E lectrochemical Biosensors

Lei Lihong

1,2

　Fu Yingchun 1

　Xu Xiahong 1

　Xie Qingji 133

　Yao Shouzhuo

1

(1.K ey Laboratory of Chemical Biology and T raditional Chinese Medicine Research ,Ministry of Education ,C ollege of Chemistry and Chemical Engineering ,Hunan N ormal University ,Changsha 410081,China ;

2.The Medical C ollege of Hunan N ormal University ,Changsha 410081,China )

Abstract The aptamers are DNA or RNA olig onucleotides selected in vitro that can bind their targets with high affinity and high specificity.As a kind of new and special recognition m olecules ,the aptamers present notable advantages over conventional recognition m olecules ,such as antibody ,thus they have received great attention and been widely utilized in various fields inv olving m olecular recognition and relevant applications ,especially in biosensing.In this review ,we briefly summarize the recent progress of aptamer 2based electrochemical biosens ors ,inv olving introduction of aptamer and “signal 2on ”type ,“signal 2off ”type ,enzyme 2labeled ,nanoparticle 2labeled and nonlabeled aptamer 2based electrochemical biosens ors.

K ey w ords aptamers ;electrochemical biosens ors ;recognition m olecules

Contents

1　Brief introduction of aptamer

2　Aptamer 2based electrochemical biosens or

2.1　Labeled aptamer 2based electrochemical biosens or 2.2　N on 2labeled aptamer 2based electrochemical biosen 2

s ors

3　C onclusions and perspectives

1　核酸适体简介

核酸适体(以下简称适体),也称核酸适配体或

核酸适配子,是一类由约25—80个RNA 或DNA 碱基组成的单链寡核苷酸片段。1990年,两个研究小组分别独立提出一种名为指数富集配体系统进化的

第21卷第4期2009年4月

化　学　进　展

PROG RESS I N CHE MISTRY

V ol.21N o.4

　Apr.,2009

体外筛选技术(systematic ev olution of ligands by exponential enrichment ,SE LEX )[1,2]

,得到跟目标分子有特异亲合性的功能化RNA 片段,这种单链RNA 片段被称为“aptamer ”,该词来源于拉丁文“aptus ”,

意为“适合”[3,4]

。不久,也获得了基于DNA 的适体

[5]

。

SE LEX 的流程示于图1[1,2]

,由以下基本步骤组成:(1)藉化学合成法生成一个巨大的单链寡核苷酸片段库;(2)该寡核苷酸片段库作用于目标分子,目标分子将与呈特异亲合性的寡核苷酸片段结合;(3)以过滤或亲合色谱等手段,将特异性寡核苷酸片段与目标分子的复合体和其它非亲合性寡核苷酸片段分离;(4)释放筛选所得的寡核苷酸片段;(5)将得到的片段进行PCR 扩增,生成一级候选库;(6)一级候选库再次进入“筛选2扩增”过程(步骤2—5),得到更高亲合性、更高特异性的寡核苷酸片段。一般经5—8次循环后,可得到对目标分子有高亲合性、高特异性的片段。随后,这些片段被克隆、测序,在分析出序列及结构后,就可藉化学合成法进行批量生产

。

图1　SE LEX 示意图

Fig.1　Schematic illustration of SE LEX

适体一出现就受到化学工作者的极大关注,并

很快被应用到各个领域,成为研究热点[5—10]

。目前,

适体在生物传感[11—13]

、毛细管电泳[14—16]

和质谱[17,18]等领域的应用日益广泛。适体与目标分子

复合物的离解常数在10-9—10-12m ol ・L -1

间,跟常规生物亲合对(如抗原2抗体)的亲合性相当或更优,但适体具有常规识别分子(如抗体和酶)所不具备的一些优点,如可商业化的体外化学合成、结构的可修饰性、良好的化学稳定性以及热变性的可回复性等。

适体也有其自身的不足:(1)对核酸酶的敏感性,即在核酸酶存在时会被降解,特别是RNA 适体,但对适体的2′号位进行修饰可有效克服这种不足[19];(2)K +

等一些离子能作用于适体而产生假阳

性信号[20]

。与常规识别分子(如抗体和酶)相比,适体具有明显优势和互补性,基于适体的生物传感器往往性能更优,故其研究和应用令人瞩目。基于适体的电化学传感器和光化学传感器的报道很多[21—26]

,已有数篇文献综述了适体在生物传感领域

的应用[10—13,27]

,但尚未见基于适体的电化学生物传感研究进展的专门综述。本文就此作简要评述。

2　电化学适体生物传感器

以电化学免疫传感器的研究工作为基础,人们已研制了多种新型的电化学适体生物传感器,其中既有源于免疫传感技术的“三明治”型电化学适体生物传感器,也有基于适体结合目标分子前后结构变化的“电化学开关”等。根据是否应用标记物产生检测信号,电化学适体传感器可大致分为标记型与非标记型。可检测的目标分子很多,如凝血酶(thrombin )[28—30]、血小板源性生长因子(platelet 2derived

growth factor ,PDG F )[31]

、三磷酸腺苷(adenosine

triph osphate ,A TP )[29]、腺苷(adenosine )[32,33]

和药物分

子,如可卡因(cocaine )[34]

等。

对于电化学生物传感器,生物识别分子的有效固定是一个关键步骤。目前,用于固定适体的工作

电极主要有常规金电极[28—30,32,33]、玻碳电极[35]

、金

阵列电极[36]、金芯片电极[37]

和铟锡氧化物(IT O )电极[38]

等。适体在电极表面的固定技术充分借鉴了一些有效的免疫固定化技术,如5′2巯基化的适体自

组装至金电极[28,29]或金纳米颗粒基底[32,33]

、酰胺化

或戊二醛交联[30]

以及将亲合素功能化适体固定至

修饰有生物素的基底表面[38,39]

等。

电化学适体传感器主要有以下电化学定量检测方法,如差分脉冲伏安法[29,30,33]

、交流伏安法[34]

、循

环伏安法[40,41]、方波伏安法[42]、溶出伏安法[43]

和法

拉第阻抗谱[36,44]

等。

・

527・第4期雷丽红等　基于核酸适体的电化学生物传感器