مجله علوم پزشکی پارس

طراحی نانوبیوسنسور فلورسانسی جهت تشخیص زودهنگام سرطان کلورکتال با استفاده از کاوشگرهای APC و miR-21-5p به طور همزمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زیست شناسی، دانشکده علوم زیستی، واحد تهران شمال. دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 گروه میکروبیولوژی، دانشکده علوم زیستی، واحد تهران شمال. دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

3 گروه زیست شناسی واحد ورامین پیشوا. دانشگاه آزاد اسلامی واحد پیشوا، ورامین، ایران

4 مرکز تحقیقات میکروبیولوژی کاربردی، انستیتو سیستم بیولوژی و مسمومیت ها، دانشگاه علوم پزشکی بقیه الله (عج) تهران، ایران

چکیده

مقدمه: ژن APC در ctDNA و miR-21-5p به عنوان نشانگرهای زیستی بالقوه برای تشخیص سرطان پیشنهاد شده اند.
روش کار: در این مطالعه فوق یک نانوحسگر زیستی مبتنی بر نانولوله کربنی چند دیواره (MWCNT) و پروب DNA دارای ماده فلوئوروفورFAM (6- کربوکسی فلورسین) برای تشخیص ژن APC در ctDNA ، و پروب DNA دارای ماده فلوئوروفور ROX (5-کربوکسی-x-رودامین) برای تشخیص miR-21-5p، برای شناسایی بیماران مبتلا به سرطان کولورکتال (CRC) طراحی شده است. این روش مبتنی بر جذب و تثبیت DNA تک رشته ای (ssDNA) نشاندار شده با FAM و ROX بر روی MWCNT است که منجر به خاموش شدن نشر فلورسانسیFAM و ROX می شود. با افزودن DNA های مکمل آن ها(cDNA) ، که منجر به آزادسازی پروب های DNA تک رشته ای (ssDNA) از سطح MWCNT شده و یک DNA دو رشته ای (dsDNA) تشکیل شده که منجر به بازگشت نشرفلورسانسی FAM و ROXگردید. یافته ها: در این مطالعه، حساسیت فلوروفور FAM  نانومولار(50 nM) و حساسیت فلوروفور ROX، نانومولار( ( nM25) به دست آمد. مدت زمان پاسخ دهی در حضور رشته هدف 12دقیقه است. LOD و LOQ بیوسنسور DNA به صورت تکی به ترتیب 1.12 نانومولار و 3.2 میکرومولار به دست آمد.
نتیجه گیری: نتایج این مطالعه نشان داد که نانوحسگر زیستی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی و پروب DNA ، علاوه بر روش‌های موجود، می‌تواند به عنوان یک روش با حساسیت بالا برای تشخیص زودهنگام CRC مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Designing a fluorescence nanobiosensor for early detection of colorectal cancer using APC and miR-21-5p probes simultaneously

نویسندگان [English]

  • somayeh heidarian 1
  • laya takbiri 2
  • shohreh zare karizi 3
  • jafar amani 4
  • sedighe arbabian 1

1 Department of biology, Faculty of Biological Science, North Tehran Branch. Islamic Azad University, Tehran, Iran.

2 Department of Microbiology, Faculty of Biological Sciences, North Tehran Branch. Islamic Azad University, Tehran, Iran

3 Department of biology, Varamin Pishva Branch. Islamic Azad University Pishva, Varamin, Iran

4 Applied Microbiology Research Center, Systems Biology and Poisonings Institute, Baqiyatallah University of Medical Sciences, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction: APC gene in ctDNA and miR-21-5p have been proposed as potential biomarkers for cancer diagnosis.
Materials and Methods: In this above study, a biosensor based on multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and DNA probe with fluorophore FAM (6-carboxyfluorescein) to detect APC gene in ctDNA, and DNA probe with fluorophore ROX (5-carboxy-x-rhodamine) to detect miR-21-5p, was designed to identify patients with colorectal cancer (CRC). This method is based on the adsorption and stabilization of single-stranded DNA (ssDNA) labeled with FAM and ROX on MWCNT, which leads to the quenching of the fluorescence emission of FAM and ROX. By adding their complementary DNA (cDNA), which led to the release of single-stranded DNA (ssDNA) probes from the MWCNT surface and a double-stranded DNA (dsDNA) was formed, which led to the return of FAM and ROX fluorescence emission.
Result: In this study, the sensitivity of FAM fluorophore was 50 nM (50 nM) and the sensitivity of ROX fluorophore was 25 nM (25 nM). The response time in the presence of the target strand is 12 minutes. The LOD and LOQ of DNA biosensor individually were 1.12 nM and 3.2 μM, respectively.
Conclusion: The results of this study showed that the biosensor based on carbon nanotubes and DNA probe, in addition to existing methods, can be used as a high-sensitivity method for early detection of CRC.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanobiosensor
  • Genosensor
  • Carbon Nanoparticles
  • Biomarker
  • Fluorescence
1.Gaikwad PS, Banerjee R. Advances in point-of-care
diagnostic devices in cancers. Analyst.
2018;143(6):1326-48.
2.Jia S, Zhang R, Li Z, Li J. Clinical and biological
significance of circulating tumor cells, circulating
tumor DNA, and exosomes as biomarkers in
colorectal cancer. Oncotarget. 2017;8(33):55632.
3.Chadha U, Bhardwaj P, Agarwal R, Rawat P, Agarwal
R, Gupta I, et al. Recent progress and growth in
biosensors technology: A critical review. Journal of
Industrial and Engineering Chemistry. 2022 ;12:901-
11.
4.Purohit B, Vernekar PR, Shetti NP, Chandra P.
Biosensor nanoengineering: Design, operation, and
implementation for biomolecular analysis. Sensors
International. 2020;1:100040.
5.Campuzano S, Yáñez-Sedeño P, Pingarrón JM.
Carbon dots and graphene quantum dots in
electrochemical biosensing. Nanomaterials.
2019;9(4):634.
6.Ferlizza E, Solmi R, Sgarzi M, Ricciardiello L,
Lauriola M. The roadmap of colorectal cancer
screening. Cancers. 2021;13(5):1101.
7.Kaminski MF, Robertson DJ, Senore C, Rex DK.
Optimizing the quality of colorectal cancer screening
worldwide. Gastroenterology. 2020;158(2):404-17.
8.Arya SK, Estrela P. Recent advances in enhancement
strategies for electrochemical ELISA-based
immunoassays for cancer biomarker detection.
Sensors. 2018;18(7):2010.
9.Rizk EM, Gartrell RD, Barker LW, Esancy CL, Finkel
GG, Bordbar DD, et al. Prognostic and predictive
immunohistochemistry-based biomarkers in cancer
and immunotherapy. Hematology/Oncology Clinics.
2019;33(2):291-9.
10.Buono A, Lidbury J, Wood C, Wilson-Robles H,
Dangott L, Allenspach K, et al. Development,
analytical validation, and initial clinical evaluation of
a radioimmunoassay for the measurement of soluble
CD25 concentrations in canine serum. Veterinary
immunology and immunopathology.
2019;215:109904.
11.Xie Q, Weng X, Lu L, Lin Z, Xu X, Fu C. A sensitive
fluorescent sensor for quantification of alpha-
fetoprotein based on immunosorbent assay and click
chemistry. Biosensors and bioelectronics.
2016;77:46-50.
12.Yang X, Zhao Y, Sun L, Qi H, Gao Q, Zhang C.
Electrogenerated chemiluminescence biosensor array
for the detection of multiple AMI biomarkers. Sensors
and Actuators B: Chemical. 2018;257:60-7.
13.Issaq HJ, Veenstra TD. Two-dimensional
polyacrylamide gel electrophoresis (2D-PAGE):
advances and perspectives. Biotechniques.
2008;44(5):697-700.14.Mehta PK, Raj A, Singh NP, Khuller GK. Detection
of potential microbial antigens by immuno-PCR
(PCR-amplified immunoassay). Journal of medical
microbiology. 2014;63(5):627-41.
15.Nelson S, Näthke IS. Interactions and functions of
the adenomatous polyposis coli (APC) protein at a
glance. Journal of cell science. 2013;126(4):873-7.
16.Ruan K, Fang X, Ouyang G. MicroRNAs: novel
regulators in the hallmarks of human cancer. Cancer
letters. 2009;285(2):116-26.
17.Peng Q, Zhang X, Min M, Zou L, Shen P, Zhu Y.
The clinical role of microRNA-21 as a promising
biomarker in the diagnosis and prognosis of colorectal
cancer: a systematic review and meta-analysis.
Oncotarget. 2017;8(27):4 39:4.
18.Ma X, Kumar M, Choudhury SN, Becker Buscaglia
LE, Barker JR, Kanakamedala K, et al. Loss of the
miR-21 allele elevates the expression of its target
genes and reduces tumorigenesis. Proceedings of the
National Academy of Sciences. 2011;108(25):10 133-
:.
19.Heydari N, Nikbakhsh N, Sadeghi F, Farnoush N,
Khafri S, Bastami M, et al. Overexpression of serum
MicroRNA-140-3p in premenopausal women with
newly diagnosed breast cancer. Gene. 2018;655:25-9.
20.Robertson NM, Toscano AE, LaMantia VE, Hizir
MS, Rana M, Balcioglu M, et al. Unlocked Nucleic
Acids for miRNA detection using two dimensional
nano-graphene oxide. Biosensors and Bioelectronics.
2017;89:551-7.
21.Wang S, Wang L, Xu X, Li X, Jiang W. MnO2
nanosheet-mediated ratiometric fluorescence
biosensor for MicroRNA detection and imaging in
living cells. Analytica Chimica Acta. 2019;1063:152-
8.
22.Ji D, Mou X, Kwok CK. Label-free and ratiometric
detection of microRNA based on target-induced
catalytic hairpin assembly and two fluorescent dyes.
Analytical Methods. 2019;11(37):4808-13.
23.Zhou D, Liu X, Liu X, Xu Y, Chen R, Lin C, et al.
Ratiometric fluorescent biosensor for microRNAs
imaging in living cells. Sensors and Actuators B:
Chemical. 2020;322:128632.
24.Wang Z, Xue Z, Hao X, Miao C, Zhang J, Zheng Y,
et al. Ratiometric fluorescence sensor based on carbon
dots as internal reference signal and T7 exonuclease-
assisted signal amplification strategy for microRNA-
21 detection. Analytica Chimica Acta.
2020;1103:212-9.
25.Wang Y, Wu N, Guo F ,Gao R, Yang T, Wang J. gC
3 N 4 nanosheet-based ratiometric fluorescent probes
for the amplification and imaging of miRNA in living
cells. Journal of Materials Chemistry B.
2019;7(47):7566-73.
26.Sun Z, Tong Y, Zhao L, Li J, Gao F, Wang C, et al.
MoS2 @Ti3C2 nanohybrid-based
photoelectrochemical biosensor: a platform for
ultrasensitive detection of cancer biomarker exosomal
miRNA. Talanta. 2022;238:123077.
مجله علوم پزشکی پارس
دوره 21، شماره 2
تیر 1402
صفحه 53-67