航天新型诊断工具简化高亲和性分子筛选过程

2016-03-26唐甜

军民两用技术与产品 2016年3期

Tool Kit Simplifies Development of High-Affinity Molecules

在美国国家航空航天局（NASA）开展载人火星等长期的太空探索任务时，必须对宇航员进行长期的健康监测。对于生活在失重状态下的宇航员来说，尤其需要一种能够监测其骨密度流失或骨质脱钙等生物特征的诊断工具。

Thomas J.Goodwin博士是疾病建模和组织模拟实验室的负责人，也是NASA约翰逊航天中心氧化压力与损伤研究的首席科学家。他认为，虽然抗体通常用于在诊断测试中监测生物特征，但其检测应用存在一定的问题。一方面，抗体在太空中暴露在辐射下很容易降解。另外，冷藏仅能使抗体保存活性3～6个月，这远远达不到深空探测任务所需要的时间要求。即使将其冷冻，若干年后其活性和有效性也是不可知的。而如果要保存抗体，需在空间有限的航天器上安装特殊的存储装置，还要满足严格的空间限制。因此，很明显，在太空中，抗体检测是不适用的。为了解决这一问题，约翰逊航天中心提出了一项小企业创新研究（SBIR）计划项目，以开发一种不仅能保存数年，而且制作简单的健康监测技术。

20世纪90年代，研究人员发现，通过指数富集的配体系统进化技术（SELEX），短链和单链的核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）被称为低聚核苷酸，可以自行折叠成三维结构，形成特定的分子——核酸适体。核酸适体在诊断中拥有比抗体更多的潜在优势，例如，其能够在常温下储存而不降解，不受辐射影响，且不会引发人体的负面免疫反应。但是，核酸适体也存在一些缺点，如在其展开阶段，其精确性不如抗体高，因为其缠绕不充分，不能准确地识别出目标分子。因此，研究人员需要对DNA进行适当的化学修饰，以使其更好地发挥作用。

美国AM生物科技有限责任公司的董事长Mark Shumbera解释说：“SELEX过程起始于分散在溶液中的1014个随机低聚核苷酸序列库，并从中筛选出可与目标分子结合的核酸配体。许多序列并不能与目标分子结合，结合也有弱有强。能够结合的序列被分离和放大，或采用聚合酶链反应（PCR）技术进行多次复制，以创建一个较小的序列库。”经过10～15轮的序列筛选和放大，仅有那些具有最高亲和性的序列保留下来。虽然用于PCR的酶通常会产生未经修饰的DNA序列，但是如果也可能形成经化学修饰的DNA序列，从而提高序列结合的亲和性，以及其它特性。这个过程中存在的问题是，在PCR过程中获得的化学修饰的数量有限。只有那些能够被放大的酶接受的化学修饰才能够使用，而且仅有4种可能的不同的修饰，因为对任何核酸碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤或胸腺嘧啶）的改变，都会作用到序列中的其它碱基上。但实际上，PCR的效率不高，所以通常每次仅能使用一种或两种化学修饰。

DNA由两条缠绕的链组成，两条链上的碱基相互配对

2007年，在NASA SBIR计划项目的资助下，AM生物科技公司改进了微珠碱基方法，可制造出所需的核酸适体，既消除了PCR过程中插入化学修饰配体的限制，也简化了合成过程。该技术的理念早在几年前就已被David Gorenstein提出。David Gorenstein是一名化学家，现任德克萨斯大学休斯顿健康科学中心分子医学领域特聘主席、AM生物科技公司首席科学官。在NASA，以及比尔-梅琳达•盖茨基金会、美国国立卫生研究院的支持下，AM生物科技公司不仅开发出了具有大量化学修饰的新一代核酸适体——X-Aptamers，也开发出了商业化的试剂工具，以便其他人研制自己的新产品。该技术采用AM生物科技公司的专利技术，合成了含有1010个低聚核苷酸序列的基因库，包括天然的DNA序列，以及经过修饰的DNA序列。研究人员可以在一个序列上进行50项化学修饰，与PCR方法相比，该技术可获得的化学修饰的数量几乎没有限制。该技术使得DNA或RNA具有更丰富的化学多样性，意味着创造出与目标分子具有高亲和性和特异性分子的几率更大。每个缠绕的DNA或RNA微珠都包含同一低聚核苷酸序列合成的几十亿个复制体。它们暴露在能够结合的目标分子溶液中，最匹配的序列的微珠上会结合大量的目标分子。将磁性粒子加入到溶液中，目标分子上的标签与磁性粒子发生作用，从溶液中提取出含有大量目标分子的微珠。重复这一过程，直至筛选出合适的核酸适体。通常，采用SELEX技术找到合适的核酸适体可能需要几周的时间，而采用该技术仅需几天的时间。

从溶液中利用目标蛋白质分子提取出来的低聚核苷酸的序列再利用下一代DNA测序法进行识别。DNA序列作为条形码返回到原始数据库，找出化学修饰的位置，并重新合成，获得X-Aptamer。

经过进一步的研究和发展，目前，AM生物科技公司的X-Aptamer筛选试剂工具已上市，其用户群体广泛，包括生物科技公司和大学等。X-Aptamer使用简便，几乎任何具有基础生物化学实验技能的人员都能使用该技术。

除作为医疗诊断工具外，X-Aptamers还可作为治疗关节炎和癌症等多种疾病的新型靶向试剂，替代传统的抗体。X-Aptamer能够携带并吸附化疗药物，作用于肿瘤上，阻止肿瘤向身体的其它部位扩散，同时防止药物对正常组织产生危害。同时，核酸适体也可以制成药物，用于疾病治疗。例如，Pegaptanib就是这样一种核酸适体，通过阻止会损伤视网膜的新的血管形成，治疗老年黄斑性病变。据了解，Pegaptanib是美国食品药品监督管理局批准的唯一的核酸适体药物，市场上基于核酸适体的诊断工具也很少。这可能是因为核酸适体是一种相对较新的技术，到目前为止，其效果尚未得到充分验证。通常，一项新技术获得主流接受至少需要20年的时间。核酸适体也需要花费差不多的时间。而X-Aptamer所采用的化学修饰增强了核酸适体的效果，或将加快核酸适体的推广应用进程。Mark Shumbera称：“现在是X-Aptamer筛选试剂工具亮相的最佳时间。X-Aptamer的成本较低，有助于未来疾病诊断和治疗方法的创新，具有广阔的市场前景。”

对于NASA而言，X-Aptamer是可用于航天任务的诊断工具的重要组成部分。NASA正在与其他企业合作开发能够在太空中进行分析的硬件平台等其它的健康监测组件。Thomas J.Goodwin博士说：“无论最终被选中的是哪个或哪些平台，我认为，X-Aptamers可能是目前最好的试剂解决方案。X-Aptamers还可进一步进行改进，以便于在太空中使用。”

(唐甜)