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线粒体DNA（mtDNA）突变正逐渐成为肿瘤发生的重要分子特征。液体活检技术通过分析游离mtDNA实现早期癌症检测，但因分析物浓度低而存在灵敏度不足的问题。
2025年11月21日，郑州大学张开翔独立通讯在Science Advances（IF=11.7）在线发表题为“Renal clearable CRISPR nanosensor targeting mitochondrial DNA mutation for noninvasive monitoring of tumor progression and metastasis”的研究论文。该研究开发了一种基于CRISPR/Cas12a的尿液生物标志物检测系统（命名为CasUber），用于体内监测肿瘤进展与转移。
研究结果表明，CasUber可将CRISPR检测系统递送至肿瘤细胞线粒体，利用Cas12a的单核苷酸变异识别能力和反式切割活性，将肿瘤特异性mtDNA突变转化为经肾脏清除的荧光生物标志物，并随受损mtDNA的自然外排途径共同排出。因此，CasUber不仅能区分超微小肿瘤病灶（约1立方毫米），在血-肺转移模型中还能比生物发光成像更早检测到肺肿瘤结节。这种可肾脏清除的纳米传感器通过原位识别特定基因突变产生放大信号，克服了mtDNA丰度低的限制，实现了通过简易尿液检测对肿瘤进展与转移进行无创超灵敏监测。
基因突变与多种疾病的发生发展相关，使得循环游离DNA（cfDNA）中的突变成为临床液体活检中应用最广泛的疾病相关元件。通过血液中cfDNA的分析可实现多种疾病的无创诊断、监测及分子分型。近年来，更易发生突变的线粒体DNA（mtDNA）被确认为cfDNA的重要组成部分，可作为癌症诊断的无创生物标志物。mtDNA突变是肿瘤中最常见的遗传事件之一，被认为是肿瘤发生和进展的重要分子特征。携带显性mtDNA突变的肿瘤细胞表现出对肿瘤微环境更强的适应能力，使其成为肿瘤组织中的优势群体。因此，经环境筛选的突变mtDNA基因型可作为追踪肿瘤细胞谱系的生物标志物。此外，肿瘤细胞内含有数千个mtDNA拷贝，为高灵敏度分析提供了丰富的靶标库。然而，微小肿瘤组织释放的cfDNA丰度极低，加之体内存在清除cfDNA的天然机制，共同导致液体活检的灵敏度不足。这种灵敏度的局限进一步限制了基于cfDNA的液体活检在许多重要临床应用中的使用。例如，cfDNA检测仅能识别20%至40%的I期癌症，并在高达40%的晚期癌症病例中得出不确定结果。此外，约50%术后肿瘤复发的患者其微小残留病cfDNA检测呈阴性。提高cfDNA检测灵敏度的主要策略通常集中于改进体外测序与分析方法，但面临临床样本中cfDNA含量稀缺的挑战。克服这些限制的可行途径在于开发外源性探针。基于工程化“合成生物标志物”的尿液检测技术已成为一类新兴诊断方法。这些外源性纳米传感器可在肿瘤微环境中被上调的特定蛋白酶（如基质金属蛋白酶-9和组织蛋白酶B）原位切割，释放可经肾脏清除的报告分子，从而在尿液中实现检测。这些策略将疾病信号放大至超越内源性生物标志物的水平，进而提高了肿瘤检测的灵敏度。因此，开发能够原位识别肿瘤特异性基因突变并产生肾脏可清除信号的纳米传感器，可能是提升cfDNA液体活检灵敏度的潜在策略。模式流程图（图片源自Science Advances ）本研究开发了一种CRISPR/Cas12a介导的尿液生物标志物（CasUber），用于原位识别肿瘤特异性mtDNA突变，以实现肿瘤进展与转移的无创监测。与血液中cfDNA检测相比，CasUber可递送至肿瘤细胞线粒体，精准识别肿瘤特异性mtDNA突变，激活Cas12a的反式切割活性以切割共递送的环状报告底物（CLR），生成荧光生物标志物。研究发现，所产生的荧光生物标志物可通过受损mtDNA的天然外排途径释放至细胞外，经肾脏清除进入尿液。作为概念验证，作者选择小鼠肿瘤细胞（4T1）mtDNA中的mt.5286 T>G突变作为监测肿瘤进展与转移的遗传标记。值得注意的是，在模拟血行肺转移模型中，CasUber能够区分超小肿瘤病灶（约1 mm³），并比生物发光成像更早检测到肺肿瘤结节。这种可肾脏清除的纳米传感器可通过简易尿液检测，实现对体内基因突变的超灵敏识别，为无创监测肿瘤进展与转移提供新方法。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz4594
2025-11-27
4297
