航天新型診斷工具簡化高親和性分子篩選過程

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航天新型診斷工具簡化高親和性分子篩選過程

Tool Kit Simplifies Development of High-Affinity Molecules

在美國國家航空航天局（NASA）開展載人火星等長期的太空探索任務(wù)時，必須對宇航員進(jìn)行長期的健康監(jiān)測。對于生活在失重狀態(tài)下的宇航員來說，尤其需要一種能夠監(jiān)測其骨密度流失或骨質(zhì)脫鈣等生物特征的診斷工具。

Thomas J.Goodwin博士是疾病建模和組織模擬實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，也是NASA約翰遜航天中心氧化壓力與損傷研究的首席科學(xué)家。他認(rèn)為，雖然抗體通常用于在診斷測試中監(jiān)測生物特征，但其檢測應(yīng)用存在一定的問題。一方面，抗體在太空中暴露在輻射下很容易降解。另外，冷藏僅能使抗體保存活性3～6個月，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到深空探測任務(wù)所需要的時間要求。即使將其冷凍，若干年后其活性和有效性也是不可知的。而如果要保存抗體，需在空間有限的航天器上安裝特殊的存儲裝置，還要滿足嚴(yán)格的空間限制。因此，很明顯，在太空中，抗體檢測是不適用的。為了解決這一問題，約翰遜航天中心提出了一項(xiàng)小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃項(xiàng)目，以開發(fā)一種不僅能保存數(shù)年，而且制作簡單的健康監(jiān)測技術(shù)。

20世紀(jì)90年代，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX），短鏈和單鏈的核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）被稱為低聚核苷酸，可以自行折疊成三維結(jié)構(gòu)，形成特定的分子——核酸適體。核酸適體在診斷中擁有比抗體更多的潛在優(yōu)勢，例如，其能夠在常溫下儲存而不降解，不受輻射影響，且不會引發(fā)人體的負(fù)面免疫反應(yīng)。但是，核酸適體也存在一些缺點(diǎn)，如在其展開階段，其精確性不如抗體高，因?yàn)槠淅p繞不充分，不能準(zhǔn)確地識別出目標(biāo)分子。因此，研究人員需要對DNA進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾，以使其更好地發(fā)揮作用。

美國AM生物科技有限責(zé)任公司的董事長Mark Shumbera解釋說：“SELEX過程起始于分散在溶液中的1014個隨機(jī)低聚核苷酸序列庫，并從中篩選出可與目標(biāo)分子結(jié)合的核酸配體。許多序列并不能與目標(biāo)分子結(jié)合，結(jié)合也有弱有強(qiáng)。能夠結(jié)合的序列被分離和放大，或采用聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)進(jìn)行多次復(fù)制，以創(chuàng)建一個較小的序列庫。”經(jīng)過10～15輪的序列篩選和放大，僅有那些具有最高親和性的序列保留下來。雖然用于PCR的酶通常會產(chǎn)生未經(jīng)修飾的DNA序列，但是如果也可能形成經(jīng)化學(xué)修飾的DNA序列，從而提高序列結(jié)合的親和性，以及其它特性。這個過程中存在的問題是，在PCR過程中獲得的化學(xué)修飾的數(shù)量有限。只有那些能夠被放大的酶接受的化學(xué)修飾才能夠使用，而且僅有4種可能的不同的修飾，因?yàn)閷θ魏魏怂釅A基（腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤或胸腺嘧啶）的改變，都會作用到序列中的其它堿基上。但實(shí)際上，PCR的效率不高，所以通常每次僅能使用一種或兩種化學(xué)修飾。

DNA由兩條纏繞的鏈組成，兩條鏈上的堿基相互配對

2007年，在NASA SBIR計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，AM生物科技公司改進(jìn)了微珠堿基方法，可制造出所需的核酸適體，既消除了PCR過程中插入化學(xué)修飾配體的限制，也簡化了合成過程。該技術(shù)的理念早在幾年前就已被David Gorenstein提出。David Gorenstein是一名化學(xué)家，現(xiàn)任德克薩斯大學(xué)休斯頓健康科學(xué)中心分子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特聘主席、AM生物科技公司首席科學(xué)官。在NASA，以及比爾-梅琳達(dá)?蓋茨基金會、美國國立衛(wèi)生研究院的支持下，AM生物科技公司不僅開發(fā)出了具有大量化學(xué)修飾的新一代核酸適體——X-Aptamers，也開發(fā)出了商業(yè)化的試劑工具，以便其他人研制自己的新產(chǎn)品。該技術(shù)采用AM生物科技公司的專利技術(shù)，合成了含有1010個低聚核苷酸序列的基因庫，包括天然的DNA序列，以及經(jīng)過修飾的DNA序列。研究人員可以在一個序列上進(jìn)行50項(xiàng)化學(xué)修飾，與PCR方法相比，該技術(shù)可獲得的化學(xué)修飾的數(shù)量幾乎沒有限制。該技術(shù)使得DNA或RNA具有更豐富的化學(xué)多樣性，意味著創(chuàng)造出與目標(biāo)分子具有高親和性和特異性分子的幾率更大。每個纏繞的DNA或RNA微珠都包含同一低聚核苷酸序列合成的幾十億個復(fù)制體。它們暴露在能夠結(jié)合的目標(biāo)分子溶液中，最匹配的序列的微珠上會結(jié)合大量的目標(biāo)分子。將磁性粒子加入到溶液中，目標(biāo)分子上的標(biāo)簽與磁性粒子發(fā)生作用，從溶液中提取出含有大量目標(biāo)分子的微珠。重復(fù)這一過程，直至篩選出合適的核酸適體。通常，采用SELEX技術(shù)找到合適的核酸適體可能需要幾周的時間，而采用該技術(shù)僅需幾天的時間。

從溶液中利用目標(biāo)蛋白質(zhì)分子提取出來的低聚核苷酸的序列再利用下一代DNA測序法進(jìn)行識別。DNA序列作為條形碼返回到原始數(shù)據(jù)庫，找出化學(xué)修飾的位置，并重新合成，獲得X-Aptamer。

經(jīng)過進(jìn)一步的研究和發(fā)展，目前，AM生物科技公司的X-Aptamer篩選試劑工具已上市，其用戶群體廣泛，包括生物科技公司和大學(xué)等。X-Aptamer使用簡便，幾乎任何具有基礎(chǔ)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的人員都能使用該技術(shù)。

除作為醫(yī)療診斷工具外，X-Aptamers還可作為治療關(guān)節(jié)炎和癌癥等多種疾病的新型靶向試劑，替代傳統(tǒng)的抗體。X-Aptamer能夠攜帶并吸附化療藥物，作用于腫瘤上，阻止腫瘤向身體的其它部位擴(kuò)散，同時防止藥物對正常組織產(chǎn)生危害。同時，核酸適體也可以制成藥物，用于疾病治療。例如，Pegaptanib就是這樣一種核酸適體，通過阻止會損傷視網(wǎng)膜的新的血管形成，治療老年黃斑性病變。據(jù)了解，Pegaptanib是美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的唯一的核酸適體藥物，市場上基于核酸適體的診斷工具也很少。這可能是因?yàn)楹怂徇m體是一種相對較新的技術(shù)，到目前為止，其效果尚未得到充分驗(yàn)證。通常，一項(xiàng)新技術(shù)獲得主流接受至少需要20年的時間。核酸適體也需要花費(fèi)差不多的時間。而X-Aptamer所采用的化學(xué)修飾增強(qiáng)了核酸適體的效果，或?qū)⒓涌旌怂徇m體的推廣應(yīng)用進(jìn)程。Mark Shumbera稱：“現(xiàn)在是X-Aptamer篩選試劑工具亮相的最佳時間。X-Aptamer的成本較低，有助于未來疾病診斷和治療方法的創(chuàng)新，具有廣闊的市場前景。”

對于NASA而言，X-Aptamer是可用于航天任務(wù)的診斷工具的重要組成部分。NASA正在與其他企業(yè)合作開發(fā)能夠在太空中進(jìn)行分析的硬件平臺等其它的健康監(jiān)測組件。Thomas J.Goodwin博士說：“無論最終被選中的是哪個或哪些平臺，我認(rèn)為，X-Aptamers可能是目前最好的試劑解決方案。X-Aptamers還可進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，以便于在太空中使用。”

(唐 甜)

AM生物技術(shù)公司研制的X-Aptamer篩選試劑工具

軍轉(zhuǎn)民推廣技術(shù)