A Novel CRISPR/Cas12a-Mediated Ratiometric Dual-Signal Electrochemical Biosensor for Ultrasensitive and Reliable Detection of Circulating Tumor Deoxyribonucleic Acid

化学 生物传感器 清脆的 DNA 组合化学 对偶(语法数字) 计算生物学 纳米技术 生物化学 基因 生物 文学类 艺术 材料科学
作者
Jiangbo Dong,Xinyao Li,Changjun Hou,Jingzhou Hou,Danqun Huo
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:96 (18): 6930-6939 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.3c05700
摘要

Circulating tumor DNA (ctDNA) holds great promise as a noninvasive biomarker for cancer diagnosis, treatment, and prognosis. However, the accurate and specific quantification of low-abundance ctDNA in serum remains a significant challenge. This study introduced, for the first time, a novel exponential amplification reaction (EXPAR)-assisted CRISPR/Cas12a-mediated ratiometric dual-signal electrochemical biosensor for ultrasensitive and reliable detection of ctDNA. To implement the dual-signal strategy, a signal unit (ssDNA-MB@Fc/UiO-66-NH2) was prepared, consisting of methylene blue-modified ssDNA as the biogate to encapsulate ferrocene signal molecules within UiO-66-NH2 nanocarriers. The presence of target ctDNA KRAS triggered EXPAR amplification, generating numerous activators for Cas12a activation, resulting in the cleavage of ssDNA-P fully complementary to the ssDNA-MB biogate. Due to the inability to form a rigid structure dsDNA (ssDNA-MB/ssDNA-P), the separation of ssDNA-MB biogate from the UiO-66-NH2 surface was hindered by electrostatic interactions. Consequently, the supernatant collected after centrifugation exhibited either no or only a weak presence of Fc and MB signal molecules. Conversely, in the absence of the target ctDNA, the ssDNA-MB biogate was open, leading to the leakage of Fc signal molecules. This clever ratiometric strategy with Cas12a as the "connector", reflecting the concentration of ctDNA KRAS based on the ratio of the current intensities of the two electroactive signal molecules, enhanced detection sensitivity by at least 60-300 times compared to single-signal strategies. Moreover, this strategy demonstrated satisfactory performance in ctDNA detection in complex human serum, highlighting its potential for cancer diagnosis.
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