综述与专论: 核酸适配体在分子医学中的应用

分子医学着眼于从疾病的分子层面出发,为个性化精准诊疗提供解决方案。然而,在众多疾病的诊疗中由于缺乏有力的分子识别工具,目前从分子水平上理解和研究疾病仍受到制约。核酸适配体是通过指数富集的配体系统进化（SELEX）技术在体外筛选得到的单链寡核苷酸,具有高选择性、高亲和力、易细胞内化、良好的组织渗透和快速的组织积累能力。近年来,由于其易合成、成本低、稳定性高且免疫原性低,核酸适配体作为分子工具应用于疾病的诊疗一体化受到广泛关注。本综述围绕分子医学中的核酸适配体,讨论了核酸适配体在疾病诊断中的应用,包括基于核酸适配体的肿瘤标志物发现、液体活检、分子成像。介绍了核酸适配体在癌症治疗中的应用包括基于核酸适配体的抑制剂、核酸适配体药物偶联物、纳米药物和核酸适配体介导的免疫治疗。最后对核酸适配体在临床诊疗和产业化面临的问题进行了讨论,包括基于应用场景的筛选方法、核酸适配体与靶标复合物结构、亲和力的机制以及核酸适配体在血液循环中的稳定性等方面。     

检测环境污染物的适配体生物传感器研究进展

适配体生物传感器可利用适配体作为识别元件,将适配体的优良特性和目前先进的检测技术进行结合,例如光学、电化学纳米集成技术或生物膜干涉测量法,为其在有毒有害物质检测和环境实时监测领域构筑了良好应用前景。然而,适配体传感器的进一步应用仍有许多问题亟待解决,比如:环境的复杂性会对其应用产生限制;适配体固化到传感器表面的方式会影响适配体的结构和功能,从而影响检测效果。本文将主要研究适配体筛选策略的最新进展并对适配体传感器检测环境中小分子污染物的应用展开综述。     

基于表面等离子共振的适配体传感器应用研究进展

基于表面等离子共振的适配体传感器是利用适配体进行高特异性、高灵敏度、高通量检测的新型生物传感器。我们在简要阐述适配体的筛选方法、偶联技术及适配体传感器工作原理的基础上,结合最新的研究结果,对基于表面等离子共振的适配体传感器在生物活性小分子检测、传染病检测、肿瘤标志物检测、食品安全监测等方面的应用研究进展进行了综述。     

小分子物质与适配体的相互作用规律

经过近30年的发展,核酸适配体已逐渐成为生物、医药、材料、物理等众多学科领域关注的热点之一。小分子物质的痕量检测也在各个领域中意义重大,故有必要了解小分子与适配体的作用方式及规律。从小分子物质的分类出发,归纳整理小分子物质与适配体的作用规律,阐述现有小分子与核酸相互作用的研究方法,并探讨不同靶标分子与适配体相互作用的类型。研究发现适配体链段倾向于"缠绕"靶标小分子,使其"镶嵌"于核酸结构中。小分子化合物往往利用氢键结合适配体,两者间还存在疏水和静电相互作用。金属类靶标分子则与适配体的嘧啶基团上带负电的部分结合。分类整合小分子与适配体的作用方式及结合位点,以期为小分子适配体的发展起到一定的借鉴意义和指导作用。     

综述与专论: 核酸适配体筛选与亲和力评价技术主要研究方向、进展与挑战

核酸适配体是一类具有特异性分子识别能力的单链DNA或者RNA分子,通过指数富集的配体系统进化技术（SELEX）筛选得到。核酸适配体相比抗体具有热稳定性高、便于化学合成与修饰、免疫原性低等优点,在生物分析、生物医学、生物技术等众多领域引起广泛关注。高质量的核酸适配体是应用的基础,然而目前能够满足实际应用的核酸适配体数量还非常有限。如何获得高亲和力、高特异性、高体内稳定性的核酸适配体是核酸适配体领域的技术瓶颈。本文首先简单介绍了SELEX技术的基本原理和核酸库的设计、筛选过程监控、次级文库制备、测序和候选适配体筛选等关键步骤。接着归纳总结了30多年来核酸适配体筛选技术的6个主要研究方向、研究进展和局限性。这6个主要研究方向分别是提高适配体特异性的筛选方法、提高适配体稳定性（抗核酸酶降解能力）的筛选方法、快速筛选方法、复杂靶标适配体筛选方法、小分子靶标适配体筛选方法、提高适配体亲和力的筛选方法。其中快速筛选技术是长期以来持续关注的研究方向,几乎所有物理分离手段都已用于提高SELEX的筛选效率。最近,高效化学反应与SELEX技术的结合为核酸适配体的快速筛选提供了新的策略。本文随后对适合小分子靶标核酸适配体筛选的3类方法进展和存在的问题进行了重点评述。这3类方法分别是基于靶标固定的筛选技术、基于文库固定的筛选技术（捕获-SELEX,Capture-SELEX）和均相筛选技术（氧化石墨烯-SELEX,GO-SELEX）。基于靶标固定的筛选技术尽管存在空间位阻等众多问题,由于其操作的简单性,目前依然应用广泛。近年来Capture-SELEX应用广泛。结合36种靶标适配体的筛选实验条件（文库设计、正筛靶标浓度、负筛靶标的选择和浓度）和所获得的适配体的亲和力（K_D,解离常数,dissociation constant）和特异性,对Capture-SELEX的实验条件与适配体性能的关系进行了讨论。统计数据表明,降低正筛靶标浓度有利于提高适配体的亲和力,但不是必要条件。负筛选是目前提高适配体特异性的主要技术手段,但适配体的特异性还不能满足实际需求。负筛选靶标及其浓度的选择差异很大,而且36种靶标中有20种靶标的适配体筛选没有进行负筛选。如何提高核酸适配体的特异性是目前小分子靶标核酸适配体所面临的难题,急需寻找新的策略。本文还列表归纳了近三年利用GO-SELEX进行的13种小分子靶标的实验条件和所获得的适配体的K_D和特异性。统计数据表明,GO-SELEX比Capture-SELEX所需要的筛选轮数少,两种方法所获得的适配体的亲和力多在纳摩尔每升水平。Capture-SELEX相对较低的筛选效率应该主要由于文库的自解离问题。核酸适配体的亲和力评价是候选核酸适配体结构与性能评价的重要组成部分。常用的核酸适配体亲和力评价技术包括基于分离、基于固定、均相体系三大类十多种方法。假阳性和假阴性是各种评价技术都有可能存在的问题。本文以纳米金比色法和等温热滴定技术为例评述技术进展,讨论导致不同亲和力评价技术结果不一致性问题的根本原因。本文最后对核酸适配体筛选技术、亲和力评价技术和技术的标准化的未来发展趋势进行了展望。     

小分子靶标与其核酸适配体亲和力的表征方法

核酸适配体是指通过SELEX筛选得到的能与靶标高特异性、高亲和力结合的单链DNA或RNA。目前国内外具有高亲和性和高特异性结合的小分子靶标的核酸适配体依然很少,究其原因,一方面是因为小分子靶标的适配体难以筛选,另一方面是小分子靶标与其候选适配体亲和力表征方法难以确定。亲和力表征是确定适配体筛选成功与否的关键步骤,就现有的小分子靶标与其相应适配体亲和力表征方法进行了总结,包括纳米金比色法、等温滴定量热法、表面等离子共振、圆二色谱法、石英晶体微天平法、微量热泳动法和SYBR Green I染料检测法等,并分析了这些方法的优缺点及改进建议,以期有助于提高适配体表征效率。     

核酸适配体在靶向药物传递中的研究进展

抗癌药物的毒副作用限制了其临床应用,纳米药物载体可实现药物在病灶部位的聚集而不影响正常组织,从而降低药物毒副作用.在药物载体表面修饰靶向配体,以提高药物载体主动靶向进入到细胞的能力,可有效地将药物释放到靶细胞,大大提高药效.核酸适配体(aptamer)作为一种新型的靶向分子,近几年已被运用到靶向药物传递的研究中.本文介绍了几种适配体靶向载药体系,如适配体-药物、适配体-脂质体、适配体-聚合物胶束、适配体-聚合物纳米颗粒、适配体-金属颗粒以及适配体-支化聚合物等载药体系,并对当前研究的热点以及存在的问题和不足进行了评述.     

适配体传感器在微生物检测中的应用

适配体是一类特异的核酸序列,具有靶分子广、特异性强、稳定等优点.该类核酸分子在体外通过SELEX(systematic evolution of ligands by exponential enrichment)技术(系统进化的指数富集技术)鉴定和筛选得到.相对于抗体,适配体为诊断和检测分析系统中的识别配基提供了另一个选择.适配体生物传感器是将生物识别元件和信号转换元件紧密结合,从而检测目标化合物的分析装置.适配体生物传感器在微生物检测方面具有分析速度快、灵敏度高、专一性强等特点,在微生物检测中显示出良好的应用前景.介绍了适配体、SELEX流程以及适配体传感器,综述了适配体传感器在微生物检测中的应用.     

细胞SELEX技术用于胰腺癌细胞特异性适配体的筛选及鉴定

细胞SELEX是目前常用的筛选细胞特异性适配体的技术。胰腺癌细胞特异性适配体在胰腺癌的诊断和治疗中有巨大的应用潜力。本研究拟通过该技术获得特异性识别胰腺癌PANC-1细胞的适配体,并对所筛选的适配体进行功能鉴定。本研究以胰腺癌PANC-1细胞为正筛细胞,正常胰腺导管上皮细胞HPDE6-C7为负筛细胞,通过磁珠法细胞SELEX技术进行筛选。经过12轮筛选,对筛选文库进行PCR扩增、质粒转染、单克隆挑选及测序,获得2条适配体Apt-5和Apt-12。流式细胞术检测发现,适配体Apt-5和Apt-12可特异性识别PANC-1细胞,其Kd值分别为8.27±2.10 nmol/L和8.88±2.51 nmol/L,Kd值均处于纳摩尔级别。通过RNA结构预测,2条适配体的二级结构均为茎-环结构。细胞免疫荧光验证了适配体的结合部位为细胞膜表面。本研究表明,通过磁珠法细胞SELEX技术,成功获得可特异性识别胰腺癌PANC-1细胞的适配体。该适配体有望成为胰腺癌诊断和治疗中的特异性分子靶向剂。     

适配体传感器检测抗生素的研究进展

抗生素作为一种微生物的次级代谢产物,具有杀死或抑制微生物生长的作用。抗生素的滥用导致了它在食物中的残留量逐年增加。因此,需要建立一种快速灵敏检测方法用于食品中抗生素残留量的检测。核酸适配体传感器因其高选择性、高特异性和高灵敏性等优点而备受关注。同时,借助纳米材料独特的光、电特性,能够进一步提高适配体传感器的性能。本文综述了目前用于抗生素检测的核酸适配体传感器如荧光适配体传感器、比色适配体传感器和电化学适配体传感器等的研究进展。此外,还对该研究领域面临的挑战和未来前景进行了展望。     

适配体在肿瘤治疗方面的应用

适配体（aptamer）是一种可通过指数富集配体系统进化（systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX）技术获得的寡聚核苷酸序列,在药物递送、肿瘤诊断及治疗方面有良好的应用前景。本文从适配体的性质、制备等方面出发,简要综述了其作为载体、靶向因子和分子探针在肿瘤治疗中的作用的研究进展。     

核酸适配体在肿瘤免疫治疗中的应用

核酸适配体是指通过指数富集的配体系统进化技术(systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX)技术得到的一种可以高特异性、高亲和性识别靶标物质的单链DNA或RNA,可以作为靶向性治疗的分子探针。指数富集的配体系统进化技术即SELEX技术是在体外合成一个随机序列的文库,通过4个步骤孵育、分离、回收、扩增即可获得相对应的核酸适配体。通过几十年的发展,如今SELEX技术已成为一种重要的研究手段。核酸适配体具有稳定性强、分子量小、易进行化学合成和修饰、能特异性结合包括从小分子到细胞等靶标,识别范围广等优点,被广泛应用在肿瘤领域。免疫治疗与传统的肿瘤治疗方式不同,它是增强机体自身免疫系统来达到清除体内肿瘤细胞的一种方式,已被临床证明是治疗多种癌症的有效方法,例如针对免疫检查点CTLA4和PD-L1/PD-1的抗体,临床试验取得了成功,这为肿瘤的治疗带来了新的思路方法。目前,相关的免疫治疗药物已经上市应用于临床治疗,但是通过免疫治疗获益的肿瘤患者相对较少且会产生严重的副作用。核酸适配体与免疫相结合,为肿瘤的治疗提供了一种新的研究思路。本文总结了近年来针对免疫系统筛选获得的核酸适配体及其在肿瘤免疫治疗中的应用。     

Assays for cytokines using aptamers

Aptamers are short nucleic acid sequences that are used as ligands to bind their targets with high affinity. They are generated via the combinatorial chemistry procedure systematic evolution of ligands by exponential enrichment (SELEX). Aptamers have shown much promise towards detection of a variety of protein targets, including cytokines. Specifically, for the determination of cytokines and growth factors, several assays making use of aptamers have been developed, including aptamer-based enzyme-linked immunosorbent assays, antibody-linked oligonucleotide assay, fluorescence (anisotropy and resonance energy transfer) assays, and proximity ligation assays. In this article, the concept of aptamer selection using SELEX and the assay formats using aptamers for the detection of cytokines are discussed.     

SELEX技术及Aptamer研究的新进展

综述了近几年指数富集的配体系统进化(SELEX)技术的改良与寡核苷酸配基(aptamer)研究应用方面的新进展.Aptamer是指利用SELEX(systematicevolutionofligandsbyexponentialenrichment)技术,从随机寡核苷酸文库中筛选获得的能够与靶分子特异结合的短单链寡核苷酸配基,通常具有纳摩尔到皮摩尔的亲和力.高通量筛选的技术特点与aptamer精确识别、易体外合成与修饰等特性,使得aptamer在分析化学与生物医药研究方面具有广阔的应用前景.     

SELEX--a (r)evolutionary method to generate high-affinity nucleic acid ligands

SELEX stands for systematic evolution of ligands by exponential enrichment. This method, described primarily in 1990 [Ellington, A.D., Szostak, J.W., 1990. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. Nature 346, 818-822; Tuerk, C., Gold, L., 1990. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. Science 249, 505-510] aims at the development of aptamers, which are oligonucleotides (RNA or ssDNA) binding to their target with high selectivity and sensitivity because of their three-dimensional shape. Aptamers are all new ligands with a high affinity for considerably differing molecules ranging from large targets as proteins over peptides, complex molecules to drugs and organic small molecules or even metal ions. Aptamers are widely used, including medical and pharmaceutical basic research, drug development, diagnosis, and therapy. Analytical and separation tools bearing aptamers as molecular recognition and binding elements are another big field of application. Moreover, aptamers are used for the investigation of binding phenomena in proteomics. The SELEX method was modified over the years in different ways to become more efficient and less time consuming, to reach higher affinities of the aptamers selected and for automation of the process. This review is focused on the development of aptamers by use of SELEX and gives an overview about technologies, advantages, limitations, and applications of aptamers.     

适配体与病毒性感染诊断及治疗

适配体（Aptamers）是通过指数富集的配体系统进化（systematic evolution of ligands by exponential enrichment,SELEX）技术,从随机核酸文库中筛选出来的单链寡核苷酸,已在临床医疗及其他领域得到日益广泛的应用.与抗体相比,适配体具有很多优点,如高亲和力、高特异性、分子量小、几乎无免疫排斥反应、结构稳定、易于合成等.可用于适配体筛选的靶标范围非常广,包括有机小分子、蛋白、完整细胞及病毒颗粒等.迅速可靠的病原检测对于病毒性传染病的成功预防和治疗具有重要意义.随着严格筛选和快速分离技术的进步,适配体在病毒感染的检测治疗中显示出巨大的潜力.本文概括介绍了适配体在病毒研究方面的最新应用进展及未来前景.     

Recent progresses in biomedical applications of aptamer-functionalized systems

Aptamers, known as “chemical antibodies” are screened via a combinational technology of systematic evolution of ligands by exponential enrichment (SELEX). Due to their specific targeting ability, high binding affinity, low immunogenicity and easy modification, aptamer-functionalized systems have been extensively applied in various fields and exhibit favorable results. However, there is still a long way for them to be commercialized, and few aptamer-functionalized systems have yet successfully entered clinical and industrial use. Thus, it is necessary to overview the recent research progresses of aptamer-functionalized systems for the researchers to improve or design novel and better aptamer-functionalized systems. In this review, we first introduce the recent progresses of aptamer-functionalized systems’ applications in biosensing, targeted drug delivery, gene therapy and cancer cell imaging, followed by a discussion of the challenges faced with extensive applications of aptamer-functionalized systems and speculation of the future prospects of them.     

Effects of single nucleotide changes on the binding and activity of RNA aptamers to human papillomavirus 16 E7 oncoprotein

A virally-encoded oncoprotein (E7 from human papillomavirus 16, involved in the initiation of cell transformation) was the target for RNA aptamer development by the process of systematic evolution of ligands by exponential enrichment (SELEX). A number of aptamers were identified, one of which was shown to inhibit the interaction between E7 and its major binding partner, pRb. Aptamers with very similar sequences (more than 92% similarity in the random regions) did not share this activity. This study demonstrates the potential of aptamers to be highly specific, with small differences in aptamer sequence having profound effects on function.