[go: up one dir, main page]

RU2764807C1 - SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION - Google Patents

SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION Download PDF

Info

Publication number
RU2764807C1
RU2764807C1 RU2020132737A RU2020132737A RU2764807C1 RU 2764807 C1 RU2764807 C1 RU 2764807C1 RU 2020132737 A RU2020132737 A RU 2020132737A RU 2020132737 A RU2020132737 A RU 2020132737A RU 2764807 C1 RU2764807 C1 RU 2764807C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gnus
dna
mutations
tag
solution
Prior art date
Application number
RU2020132737A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ольга Евгеньевна Еремина
Анна Ивановна ОГУРЦОВА
Олеся Олеговна Капитанова
Эдуард Константинович ПИСАРЕВ
Тимофей Сергеевич Зацепин
Ирина Анатольевна Веселова
Мария Эмильевна Зверева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
Priority to RU2020132737A priority Critical patent/RU2764807C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2764807C1 publication Critical patent/RU2764807C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6806Preparing nucleic acids for analysis, e.g. for polymerase chain reaction [PCR] assay
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • C12Q1/6883Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for diseases caused by alterations of genetic material
    • C12Q1/6886Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for diseases caused by alterations of genetic material for cancer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Hospice & Palliative Care (AREA)
  • Oncology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnology.SUBSTANCE: invention relates to the field of biotechnology. A set and method for the diagnosis of bladder cancer using C228T and C250T mutations in the promoter of the hTERT gene are proposed. The set includes a sensor and solutions of dye-labeled oligonucleotides with a detection limit of no more than 1 micron, GnuS-C228T-label and GnuS-C250T-label. The method involves taking a biological sample, where one part of the sample is mixed with a solution of the oligonucleotide GnuS-C228T-label, and the other part with a solution of GnuS-C250T-label, carrying out their hybridization, followed by the determination of DNA mutations C228T and C250T.EFFECT: inventions ensure the achievement of high accuracy in the diagnosis of bladder cancer in the early stages of tumor development.18 cl, 16 dwg, 2 tbl, 2 ex

Description

Настоящее изобретение относится к области аналитических и биоорганических исследований, предназначено для диагностики агрессивности глиомы и первичного обнаружения и рецидивирования опухоли мочевого пузыря, а также при развитии области трансляционных исследований в будущем для других приложений путем обнаружения мутаций в промоторе гена теломеразной обратной транскриптазы человека. Представленное изобретение может быть использовано в гематологии и онкологической диагностике, в биохимических исследованиях для молекулярного узнавания, качественного и количественного обнаружения мутаций в промоторе гена каталитической субъединицы теломеразы человека с высокими чувствительностью, селективностью и экспрессностью.The present invention relates to the field of analytical and bioorganic research, is intended for the diagnosis of aggressiveness of glioma and the initial detection and recurrence of a bladder tumor, as well as the development of the field of translational research in the future for other applications by detecting mutations in the human telomerase reverse transcriptase gene promoter. The presented invention can be used in hematology and oncological diagnostics, in biochemical studies for molecular recognition, qualitative and quantitative detection of mutations in the human telomerase catalytic subunit gene promoter with high sensitivity, selectivity and rapidity.

Уровень техникиState of the art

Теломеразная обратная транскриптаза человека (hTERT) - фермент, основной функцией которого является добавление особых повторяющихся последовательностей нуклеотидов на концы хромосом, которые укорачиваются из-за недорепликации ДНК. В норме теломераза активна в стволовых, половых и некоторых других клетках организма, которым необходимо постоянно делиться, однако в дифференцированных соматических клетках уровень экспрессии и активность теломеразы ограничены. Активация теломеразы в соматических клетках является критическим событием для их перерождения в опухолевые клетки и наблюдается в 85% случаев онкологических заболеваний [Shay J. W., Wright W. E. Senescence and immortalization: role of telomeres and telomerase // Carcinogenesis. 2005. V.26. P. 867-874]. Рак мочевого пузыря является наиболее частым онкологическим заболеванием мочевыделительной системы, и последние исследования показали, что мутации в промоторе hTERT являются самыми частыми мутациями на всех стадиях заболевания. [Allory Y. et al. Telomerase reverse transcriptase promoter mutations in bladder cancer: high frequency across stages, detection in urine, and lack of association with outcome // Eur. Urol. 2014. V. 65. P. 360-366]. Из уровня техники известны решения, позволяющие осуществлять молекулярную диагностику онкологических заболеваний. Одной из причин возникновения рака является появление соматических мутаций в клетке, которые нарушают ее нормальное функционирование. Некоторые генетические изменения являются характеристическими для определенного вида опухолевого поражения и могут служить маркерами заболевания. Обнаружение и определение поврежденных участков ДНК позволяет проводить прогнозирование и достоверную диагностику широкого класса заболеваний на ранних стадиях. Например, известно, что присутствие определенных соматических мутаций в онкогенах определяет скорость развития некоторых онкологических поражений. Например, при наличии соматических мутаций в онкогенах KRAS и BRAF колоректальный рак развивается в кратчайшие сроки, быстро метастазирует и трудно поддается химиотерапии. Наличие тех или иных маркеров позволяет определить точную область поражения и стадию заболевания, позволяет предсказать ответ на определенный вид терапий, а также обеспечивает возможность мониторинга течения болезни и рецидивирования. В настоящее время биопсия ткани является стандартной процедурой отбора биологического материала для анализа опухоли на наличие специфических маркеров, однако данный подход обладает рядом ограничений. Во-первых, для получения материала необходимо хирургическое вмешательство, что ограничивает частоту проведения данной процедуры. Во-вторых, пространственная гетерогенность опухоли может приводить к ненадежным результатам детектирования онкомаркеров, особенно при однократном тестировании. Наконец, возникает необходимость мониторинга течения болезни во времени и для этих целей частое проведение инвазивного вмешательства не представляется возможным. Также известно, что позднее диагностирование онкологического заболевания - одна из причин, которая уменьшает шансы пациента выжить. Острая необходимость в использовании более доступных биоматериалов для анализа, а также необходимость развития неинвазивных методов диагностики, привели к разработке диагностических подходов с использованием свободно циркулирующей ДНК (сцДНК), а точнее - циркулирующей опухолевой ДНК (цоДНК), присутствующей в физиологических жидкостях. Таким образом, исследование легко доступной сцДНК с помощью высокочувствительных методов открывает широкие возможности для диагностики пациентов, больных раком. Для ранней диагностики заболеваний и своевременного лечения требуется определение ДНК с поврежденными фрагментами с высокой чувствительностью и точностью, поскольку даже небольшое изменение качественного и количественного состава биологических жидкостей могут быть вызваны началом широкого набора серьезных заболеваний.Human telomerase reverse transcriptase (hTERT) is an enzyme whose main function is to add specific repetitive nucleotide sequences to the ends of chromosomes that are shortened due to DNA underreplication. Normally, telomerase is active in stem, germ, and some other body cells that need to constantly divide, but in differentiated somatic cells, the expression level and telomerase activity are limited. Telomerase activation in somatic cells is a critical event for their transformation into tumor cells and is observed in 85% of cancer cases [Shay J. W., Wright W. E. Senescence and immortalization: role of telomeres and telomerase // Carcinogenesis. 2005. V.26. P. 867-874]. Bladder cancer is the most common cancer of the urinary system, and recent studies have shown that mutations in the hTERT promoter are the most common mutations at all stages of the disease. [Allory Y. et al. Telomerase reverse transcriptase promoter mutations in bladder cancer: high frequency across stages, detection in urine, and lack of association with outcome // Eur. Urol. 2014. V. 65. P. 360-366]. From the prior art solutions are known that allow molecular diagnostics of oncological diseases. One of the causes of cancer is the appearance of somatic mutations in the cell that disrupt its normal functioning. Some genetic changes are characteristic of a certain type of tumor lesion and can serve as markers of the disease. Detection and identification of damaged DNA regions allows for the prediction and reliable diagnosis of a wide class of diseases at an early stage. For example, it is known that the presence of certain somatic mutations in oncogenes determines the rate of development of certain oncological lesions. For example, in the presence of somatic mutations in the KRAS and BRAF oncogenes, colorectal cancer develops in the shortest possible time, quickly metastasizes, and is difficult to respond to chemotherapy. The presence of certain markers makes it possible to determine the exact area of the lesion and the stage of the disease, to predict the response to a certain type of therapy, and also provides the possibility of monitoring the course of the disease and recurrence. Currently, tissue biopsy is the standard procedure for selecting biological material for tumor analysis for the presence of specific markers, but this approach has a number of limitations. First, surgical intervention is necessary to obtain the material, which limits the frequency of this procedure. Secondly, the spatial heterogeneity of the tumor can lead to unreliable results in the detection of tumor markers, especially with a single test. Finally, there is a need to monitor the course of the disease over time, and for these purposes, frequent invasive intervention is not possible. It is also known that late diagnosis of cancer is one of the reasons that reduces the patient's chances of survival. The urgent need to use more accessible biomaterials for analysis, as well as the need to develop non-invasive diagnostic methods, led to the development of diagnostic approaches using freely circulating DNA (ssDNA), and more precisely, circulating tumor DNA (ctDNA) present in physiological fluids. Thus, the study of easily accessible fsDNA using highly sensitive methods opens up great opportunities for diagnosing patients with cancer. Early diagnosis of diseases and timely treatment require the determination of DNA with damaged fragments with high sensitivity and accuracy, since even a small change in the qualitative and quantitative composition of biological fluids can be caused by the onset of a wide range of serious diseases.

В настоящее время используемые методы основаны на идентификации последовательностей ДНК путем гибридизации комплементарных последовательностей с флуоресцентным методом обнаружения. В большинстве методов определения малых количеств нуклеиновых кислот, как правило, используется предварительная амплификация фрагментов ДНК в полимеразной цепной реакции (ПЦР). Известное из уровня техники решение, описанное в работе [S. Garczyk, N. Ortiz-

Figure 00000001
, U. Schneider, I. Lurje, K. Guricova, N.T.Gaisa, E. Lorsy, K. Lindemann-Docter, A. Heidenreich, R
Figure 00000002
. Next-generation sequencing reveals potential predictive biomarkers and targets of therapy for urothelial carcinoma in situ of the urinary bladder. Pathology. 2020. V. 190. P. 323-332], основано на секвенировании нового поколения (СНП) и позволяет анализировать одновременно миллионы копий цоДНК. Промотор гена TERT был проверен на наличие двух известных повторяющихся мутаций: С124 и С146C. Частота вариативности аллеля была установлена в 5%. В качестве эталонного генома для дизайна панели использовали hg19; hg38 служил эталонным геномом для аннотации мутаций.Currently used methods are based on the identification of DNA sequences by hybridization of complementary sequences with a fluorescent detection method. Most methods for the determination of small amounts of nucleic acids, as a rule, use the preliminary amplification of DNA fragments in the polymerase chain reaction (PCR). The prior art solution described in [S. Garczyk, N. Ortiz-
Figure 00000001
, U. Schneider, I. Lurje, K. Guricova, NTGaisa, E. Lorsy, K. Lindemann-Docter, A. Heidenreich, R
Figure 00000002
. Next-generation sequencing reveals potential predictive biomarkers and targets of therapy for urothelial carcinoma in situ of the urinary bladder. pathology. 2020. V. 190. P. 323-332], is based on next generation sequencing (NGS) and allows simultaneous analysis of millions of copies of ctDNA. The TERT gene promoter was tested for two known repeat mutations: C124 and C146C. The frequency of allele variation was set at 5%. hg19 was used as a reference genome for panel design; hg38 served as a reference genome for mutation annotation.

Однако предложенная стратегия, как полноэкзомное и полногеномное секвенирование, обычно позволяет сгенерировать от 30 до 100 фрагментов ДНК, что приводит к слишком низкой чувствительности для анализа редких мутации в цоДНК во всем объеме сцДНК. Процесс СНП сложен в плане постановки эксперимента, затратен по времени, обладает не очень высокой чувствительностью и требует сложного биоинформатического анализа.However, the proposed strategy, such as whole exome and whole genome sequencing, usually allows to generate from 30 to 100 DNA fragments, which leads to too low sensitivity for the analysis of rare mutations in sfDNA in the entire volume of csDNA. The SNP process is complicated in terms of setting up an experiment, time consuming, not very sensitive, and requires complex bioinformatics analysis.

Известное из уровня техники решение, описанное в работе [J. J. G. Pritchard, G. Hamilton, C. D.Hurst, S. Fraser, C. Orange, M. A.Knowles, R. J. Jones, H. Y. Leung, T. Iwata. Monitoring of urothelial cancer disease status after treatment by digital droplet PCR liquid biopsy assays. Urologic Oncology: Seminars and Original Investigations. 2020. doi: 10.1016/j.urolonc.2020.05.012], основано на Сэнгер-секвенировании и цкПЦР. Сэнгер-секвенирование позволило выявить точечные мутации у 70% пациентов, чьи биообразцы были проанализированы методом цкПЦР. Случаи ремиссии и рецидивов, отслеживаемые посредством анализа мутаций PIK3CA E542K и TP53 Y163C в плазме и моче, совпадали с клиническими наблюдениями в течение 48 месяцев от начала химиотерапии. Разработанная методика, основанная на цкПЦР, позволила детектировать мутацию промотора обратной транскриптазы (TERT) теломеразы (-124). Предложенный метод выявления этой мутации способен отличить мутант от аллелей дикого типа.The prior art solution described in [J. J. G. Pritchard, G. Hamilton, C. D. Hurst, S. Fraser, C. Orange, M. A. Knowles, R. J. Jones, H. Y. Leung, T. Iwata. Monitoring of urothelial cancer disease status after treatment by digital droplet PCR liquid biopsy assays. Urologic Oncology: Seminars and Original Investigations. 2020. doi: 10.1016/j.urolonc.2020.05.012], based on Sanger sequencing and ccPCR. Sanger sequencing revealed point mutations in 70% of patients whose biosamples were analyzed by ccPCR. Cases of remission and relapse, monitored by analysis of PIK3CA E542K and TP53 Y163C mutations in plasma and urine, coincided with clinical observations within 48 months from the start of chemotherapy. The developed technique based on ccPCR made it possible to detect a mutation in the telomerase reverse transcriptase (TERT) promoter (-124). The proposed method for detecting this mutation is able to distinguish the mutant from wild-type alleles.

Однако для постановки цкПЦР необходимо знать заранее маркерные генетические и эпигенетические изменения, кроме того, цкПЦР обладает ограниченным потенциалом для мультиплексного анализа. Предел обнаружения ДНК, выделенных из опухолевых тканей, для таких подходов, как секвенирование по методу Сэнгера, не превышает 5% (пятипроцентное содержание мутантной аллели на фоне последовательностей дикого типа).However, for staging ccPCR, it is necessary to know in advance marker genetic and epigenetic changes, in addition, ccPCR has limited potential for multiplex analysis. The limit of detection of DNA isolated from tumor tissues for approaches such as Sanger sequencing does not exceed 5% (5% of the mutant allele against the background of wild-type sequences).

Известное из уровня техники решение, описанное в патенте РФ №2463354 от 10.10.2012 «Способ диагностики рака мочевого пузыря с помощью онкомаркера tfdp1 (варианты) и набор для его осуществления», состоит в получении биоматериала и выделении рибонуклеиновых кислот (РНК), синтезе комплементарных дезоксирибонуклеиновых кислот (кДНК) на матрице РНК, нормировании концентрации кДНК TFDP1 по контрольному гену, проведении количественной ПЦР-амплификации фрагмента гена TFDP1. Далее определяют количество амплифицированного фрагмента ДНК TFDP1 для образца биоматериала. При концентрации кДНК гена TFDP1 в физиологических жидкостях, превышающей 1.5% концентрации кДНК гена бета-актина АСТВ, диагностируют наличие переходноклеточного рака мочевого пузыря. В предложенное решение входит набор для осуществления описанного способа методом ПЦР, включающий два праймера с определенной последовательностью при молярном соотношении 1:1. Способ-вариант предусматривает проведение диагностики методом иммуноферментного анализа (ИФА). Получают образцы мочи и крови пациента, выделяют смесь белковых компонентов мочи и крови, проводят ИФА с моноклональными антителами, и/или поликлональными антителами, и/или их фрагментами против рекомбинантного белка TFDP1 и/или его уникальных фрагментов длиной свыше 8 аминокислот. Диагностируют рак мочевого пузыря при концентрации белка TFDP1 в исследуемых образцах, превышающей 5-кратную концентрацию белка TFDP1 в контроле. Способ (вариант) позволяет с достоверностью диагностировать рак мочевого пузыря, в том числе на ранней стадии прогрессии опухолевой трансформации.The solution known from the prior art, described in the patent of the Russian Federation No. 2463354 dated October 10, 2012 “A method for diagnosing bladder cancer using the tfdp1 oncomarker (variants) and a kit for its implementation”, consists in obtaining a biomaterial and isolating ribonucleic acids (RNA), synthesizing complementary deoxyribonucleic acids (cDNA) on an RNA template, normalizing the concentration of TFDP1 cDNA by the control gene, performing quantitative PCR amplification of the TFDP1 gene fragment. Next, the amount of the amplified TFDP1 DNA fragment for the biomaterial sample is determined. When the cDNA concentration of the TFDP1 gene in physiological fluids exceeds 1.5% of the cDNA concentration of the ACTV beta-actin gene, the presence of transitional cell carcinoma of the bladder is diagnosed. The proposed solution includes a kit for implementing the described method by PCR, including two primers with a specific sequence at a molar ratio of 1:1. The variant method provides for diagnostics by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Urine and blood samples of the patient are obtained, a mixture of protein components of urine and blood is isolated, ELISA is performed with monoclonal antibodies and/or polyclonal antibodies and/or their fragments against the recombinant TFDP1 protein and/or its unique fragments longer than 8 amino acids. Bladder cancer is diagnosed when the concentration of the TFDP1 protein in the test samples exceeds 5-fold the concentration of the TFDP1 protein in the control. The method (version) makes it possible to reliably diagnose bladder cancer, including at an early stage of progression of tumor transformation.

Однако в предложенном решении диагностика рака мочевого пузыря проводится по содержанию в крови и моче матричных рибонуклеиновых кислот (мРНК) гена TFDP1 и/или белка TFDP1. Кроме того, для описанного решения характерны все ограничения, связанные с использованием ПЦР: (1) чувствительность напрямую зависит от эффективности амплификации ПЦР ДНК-фрагмента образца, резко снижающейся при наличии повреждений ДНК или ее фрагментации; (2) при необходимости определения нескольких молекул-мишеней мультиплексно и на фоне большого количества ДНК со схожей последовательностью, точность ПЦР становится неудовлетворительной для постановки диагноза при существенном снижении чувствительности анализа; (3) возрастающий предел обнаружения (ПО) мутаций приводит к повышению вероятности получения ложно-положительных результатов; (4) существенное фрагментирование ДНК будет зависеть от процедур пробоотбора и пробоподготовки; (5) для детектирования фрагментов длиной менее 50 нуклеотидов, выделение и специфическая гибридизация праймеров для амплификации практически невозможны; (6) идентификации последовательности ДНК ПЦР-методами препятствует образование неканонических структур ДНК-матрицей, например G(гуанин)-квадруплексов.However, in the proposed solution, the diagnosis of bladder cancer is based on the content of matrix ribonucleic acids (mRNA) of the TFDP1 gene and/or the TFDP1 protein in the blood and urine. In addition, the described solution is characterized by all the limitations associated with the use of PCR: (1) sensitivity directly depends on the efficiency of PCR amplification of a DNA fragment of a sample, which decreases sharply in the presence of DNA damage or fragmentation; (2) if it is necessary to determine several target molecules multiplexly and against the background of a large amount of DNA with a similar sequence, the accuracy of PCR becomes unsatisfactory for making a diagnosis with a significant decrease in the sensitivity of the analysis; (3) an increasing detection limit (LOD) of mutations leads to an increase in the probability of obtaining false positive results; (4) significant DNA fragmentation will depend on sampling and sample preparation procedures; (5) for detection of fragments with a length of less than 50 nucleotides, the isolation and specific hybridization of primers for amplification is practically impossible; (6) identification of the DNA sequence by PCR methods prevents the formation of non-canonical structures by the DNA template, such as G(guanine)-quadruplexes.

На данный момент спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (спектроскопия ГКР) является возможным эффективным аналитическим инструментом и обладает большим потенциалом в области исследования биомолекул, в частности нуклеиновых кислот. Основные преимущества метода спектроскопии ГКР применительно к анализу биомолекул, по сравнению с уже существующими методами, состоят в (1) высокой чувствительность метода, вплоть до детектирования единичных молекул; (2) сигналы ГКР содержат информацию о молекулярных отпечатках пальцев всех компонентов анализируемой биологической системы; (3) спектроскопия ГКР устойчива к фотодеградации и тушению по сравнению с флуоресцентными методами и подходит для длительного мониторинга; (4) ширина пиков в 10-100 раз меньше по сравнению с пиками спектров флуоресценции органических меток и квантовых точек, что обеспечивает возможность мультиплексного анализа при одной длине волны возбуждения; (5) ГКР-активные наносубстраты могут быть подобраны и сконструированы с различным покрытием, различной формы и размера в зависимости от аналитических целей. Во многих работах показана принципиальная возможность использования прямой ГКР-спектроскопии для обнаружения однонуклеотидных замен [Xu L.J., Lei Z.C., Li J., Zong C., Yang C. J., Ren, B. Label-Free Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Detection of DNA with Single-Base Sensitivity // Journal of the American Chemical Society. 2015. V. 137. P. 5149-5154]. Однако ГКР-спектры ДНК без использования молекул репортеров были получены преимущественно с использованием синтетических олигонуклеотидов. Расшифровка спектров ГКР, полученных в результате анализа клинических образцов, все еще сопряжена с рядом трудностей, так как сигналы, соответствующие большому количеству нецелевого генетического материала, могут преобладать над слабыми сигналами молекул мишеней, содержащихся в низких концентрациях в исследуемом образце. Другой подход к детектированию анализируемого вещества - непрямая спектроскопия ГКР - заключается в использовании ГКР-активных молекул-репортеров и регистрации изменения сигнала, которое происходит в результате взаимодействия ГКР-активной молекулы с анализируемым веществом. Данный способ позволяет преодолеть трудности, которые часто возникают при регистрации собственных колебательных спектров нуклеиновых кислот, а именно сложность интерпретации результатов в присутствии большого количества нецелевых молекул или генетического материала, если говорить об анализе клинических образцов. С другой стороны, утрачивается информация о структурных перестройках и химических особенностях анализируемых молекул, которая содержится в собственных характеристических спектрах ГКР.At the moment, giant Raman spectroscopy (GRS spectroscopy) is a possible effective analytical tool and has great potential in the field of studying biomolecules, in particular nucleic acids. The main advantages of SERS spectroscopy as applied to the analysis of biomolecules, in comparison with existing methods, are (1) the high sensitivity of the method, up to the detection of single molecules; (2) SERS signals contain information about the molecular fingerprints of all components of the analyzed biological system; (3) SERS spectroscopy is resistant to photodegradation and quenching compared to fluorescence methods and is suitable for long-term monitoring; (4) the width of the peaks is 10-100 times smaller compared to the peaks of the fluorescence spectra of organic labels and quantum dots, which makes it possible to perform multiplex analysis at one excitation wavelength; (5) SERS-active nanosubstrates can be selected and designed with different coatings, different shapes and sizes depending on the analytical goals. Many studies have shown the fundamental possibility of using direct Raman spectroscopy to detect single nucleotide substitutions [Xu LJ, Lei ZC, Li J., Zong C., Yang CJ, Ren, B. Label-Free Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Detection of DNA with Single -Base Sensitivity // Journal of the American Chemical Society. 2015. V. 137. P. 5149-5154]. However, SERS spectra of DNA without the use of reporter molecules were obtained predominantly using synthetic oligonucleotides. The interpretation of SERS spectra obtained from the analysis of clinical samples is still associated with a number of difficulties, since signals corresponding to a large amount of non-target genetic material can prevail over weak signals of target molecules contained in low concentrations in the sample under study. Another approach to detecting an analyte, indirect SERS spectroscopy, is to use SERS-active reporter molecules and record the signal change that occurs as a result of the interaction of the SERS-active molecule with the analyte. This method overcomes the difficulties that often arise when recording intrinsic vibrational spectra of nucleic acids, namely, the difficulty of interpreting the results in the presence of a large number of non-target molecules or genetic material, if we talk about the analysis of clinical samples. On the other hand, information about the structural rearrangements and chemical features of the analyzed molecules, which is contained in the intrinsic characteristic SERS spectra, is lost.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения связанных с раком веществ, включая свободную ДНК, происходящую от раковых клеток, посредством спектроскопии КР (RU2723160, 09.06.2020). Предложенный способ определения ДНК в биологический жидкостях заключается в подготовке наночастиц благородных металлов, выступающих в роли ГКР-усилителя; гибридизации мишени с направленно выбранным ковалентно ГКР-меченным комплементарным олигонуклеотидом; нанесении пробы с исследуемым соединением на поверхность наночастиц жидкой пробы с исследуемым соединением с образованием направленно упорядоченной за счет нековалентных взаимодействий структуры, включающей определяемую ДНК, ГКР-метку и олигонуклеотид; детектировании полученного гибридизированного ГКР-меченного дуплекса методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния, и о качественном и количественном содержании ДНК судят по положению и интенсивности полос на регистрируемых спектрах. Способ применим для определения малых количеств ДНК на фоне большого количества посторонних мешающих компонентов анализируемых реальных биологических жидкостей: крови, мочи, церебральной жидкости и др. Данный результат достигается за счет дополнительного селективного связывания фрагментов ДНК с направленно выбранными ковалентно ГКР-меченными олигонуклеотидами на поверхности наночастиц. Кроме того, за счет направленного структурирования и упорядочивания, а также контроля расстояния от ГКР-метки до поверхности наночастиц регистрируется воспроизводимый на всей сенсорной поверхности усиленный сигнал ГКР. Усиление сигнала комбинационного рассеяния в 103 - 1014 раз достигается за счет дополнительного оборачивания гибридизованного дуплекса ДНК вокруг металлических наночастиц, выступающих в качестве ГКР-усилителя, благодаря нековалентным взаимодействиям. Предлагаемый способ позволяет надежно количественно определять необходимые ДНК на уровне 10-14 М.Closest to the claimed is a method for measuring cancer-related substances, including free DNA derived from cancer cells, using Raman spectroscopy (RU2723160, 06/09/2020). The proposed method for the determination of DNA in biological fluids consists in the preparation of noble metal nanoparticles acting as an SERS enhancer; hybridization of the target with a directionally selected covalently GKR-labeled complementary oligonucleotide; applying a sample with a test compound to the surface of nanoparticles of a liquid sample with a test compound to form a directionally ordered structure due to non-covalent interactions, including a DNA to be determined, a SERS label, and an oligonucleotide; detection of the resulting hybridized SERS-labeled duplex by giant Raman spectroscopy, and the qualitative and quantitative content of DNA is judged by the position and intensity of the bands in the recorded spectra. The method is applicable for the determination of small amounts of DNA against the background of a large number of extraneous interfering components of analyzed real biological fluids: blood, urine, cerebral fluid, etc. This result is achieved due to additional selective binding of DNA fragments with directionally selected covalently SERS-labeled oligonucleotides on the surface of nanoparticles. In addition, due to directional structuring and ordering, as well as control of the distance from the SERS label to the surface of the nanoparticles, an enhanced SERS signal is recorded that is reproduced over the entire sensor surface. Raman signal amplification by 10 3 - 10 14 times is achieved due to additional wrapping of the hybridized DNA duplex around metal nanoparticles acting as an SERS amplifier due to non-covalent interactions. The proposed method allows you to reliably quantify the necessary DNA at the level of 10 -14 M.

Однако в известном способе предложено определение мутантной последовательности ДНК, не позволяющей диагностировать рак мочевого пузыря. Для достоверного детектирования и определения мутаций C228T и C250T на уровне ультранизких концентраций, что позволит диагностирование заболевания на ранних стадиях (до ок. 6,000 поврежденных фрагментов в анализируемом образце), необходимо использование определенного рабочего расстояния от ГКР-метки до металлической наноструктуры. В отсутствии мутантной последовательности ДНК свободный зонд образует шпильку. В случае присутствия мутантного фрагмента ДНК определяемая последовательность взаимодействует с комплементарной последовательностью зонда, шпилька раскрывается, вследствие чего наблюдается резкий рост интенсивности сигнала ГКР по сравнению с ситуацией, когда метка находилась в составе шпильки. При этом использование комплементарной последовательностью зонда с любой длиной из диапазона 1-5 нм не приводит к возможности высокочувствительного определения мутаций C228T и C250T на уровне ультранизких концентраций. Более того, в изобретении описан способ анализа и его принцип без оптимизированной ГКР-платформы, позволяющего достоверно определять биомаркеры - мутантные последовательности ДНК C228T и C250T.However, the known method proposes the determination of a mutant DNA sequence that does not allow diagnosing bladder cancer. For reliable detection and determination of C228T and C250T mutations at the level of ultra-low concentrations, which will allow diagnosing the disease at early stages (up to about 6,000 damaged fragments in the analyzed sample), it is necessary to use a certain working distance from the SERS label to the metal nanostructure. In the absence of a mutant DNA sequence, the free probe forms a hairpin. In the presence of a mutant DNA fragment, the determined sequence interacts with the complementary sequence of the probe, the hairpin opens, as a result of which a sharp increase in the intensity of the SERS signal is observed compared to the situation when the label was in the hairpin. At the same time, the use of a complementary probe sequence with any length from the range of 1-5 nm does not lead to the possibility of highly sensitive detection of C228T and C250T mutations at the level of ultra-low concentrations. Moreover, the invention describes an analysis method and its principle without an optimized GKR platform, which makes it possible to reliably determine biomarkers - mutant DNA sequences C228T and C250T.

Технической проблемой является отсутствие наборов и простых способов диагностики рака мочевого пузыря на ранних стадиях развития опухоли.The technical problem is the lack of kits and simple methods for diagnosing bladder cancer in the early stages of tumor development.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом заявляемой группы изобретений является разработка набора, позволяющего с высокой точностью проводить диагностику рака мочевого пузыря на ранних стадиях развития опухоли.The technical result of the claimed group of inventions is the development of a kit that makes it possible to diagnose bladder cancer in the early stages of tumor development with high accuracy.

Заявляемая группа изобретений позволяет проводить идентификацию двух мутантных последовательностей ДНК C228T и C250T и их селективное определение в биологической пробе для выявления у пациентов рака мочевого пузыря (1) на ранних стадиях: начиная с I стадии (при начальных стадиях опухолевого процесса: стадия Т1 или более поверхностные опухоли), когда опухоль является неинвазивной; (2) с высокими чувствительностью (низким пределом обнаружения от концентрации 1⋅10-14 М, что составляет ок. 6,000 поврежденных фрагментов ДНК); (3) селективностью по отношению к иным фрагментам ДНК; и (4) экспрессностью (время пробоподготовки нескольких образцов одновременно - до 60 мин и самого анализа - 10 с).The claimed group of inventions allows the identification of two mutant DNA sequences C228T and C250T and their selective determination in a biological sample to detect bladder cancer (1) in patients at early stages: starting from stage I (at the initial stages of the tumor process: stage T1 or more superficial tumors) when the tumor is non-invasive; (2) with high sensitivity (low detection limit from a concentration of 1⋅10 -14 M, which is approx. 6,000 damaged DNA fragments); (3) selectivity for other DNA fragments; and (4) rapidity (time for sample preparation of several samples simultaneously - up to 60 min and the analysis itself - 10 s).

Диагностика рака мочевого пузыря осуществляется за счет селективного узнавания и определения мутаций C228T и C250T в последовательности ДНК, что включает в себя использование набора из планарного наноструктурированного ГКР-сенсора и водных растворов, меченных красителем с пределом обнаружения не более 1 мкМ, например родамином 6Ж, олигонуклетидов: GnuS-C228T-R6G и GnuS-C250T-R6G (где Gnus - последовательность, состоящая из 15 - 20 аминокислот, из которых не менее 20% составляют цитозин (C) и гуанин (G), например последовательности SEQ ID №1 - №4). В качестве красителя с пределом обнаружения не более 1 мкМ используют родаминовые, цианиновые, ксантеновые и диазо-красители, метиленовый синий и кристаллический фиолетовый. Diagnosis of bladder cancer is carried out by selective recognition and detection of C228T and C250T mutations in the DNA sequence, which includes the use of a set of planar nanostructured SERS sensor and aqueous solutions labeled with a dye with a detection limit of no more than 1 μM, for example, rhodamine 6G, oligonucleotides : GnuS-C228T-R6G and GnuS-C250T-R6G (where Gnus is a sequence consisting of 15 to 20 amino acids, of which at least 20% are cytosine (C) and guanine (G), for example, sequences SEQ ID No. 1 - No. 4). Rhodamine, cyanine, xanthene and diazo dyes, methylene blue and crystal violet are used as a dye with a detection limit of not more than 1 μM.

Способ заключается в заборе мочи пациента, последующем отборе 20 мкл жидкой пробы для гибридизации предположительно содержащихся там мутантных последовательностей ДНК C228T и C250T с комплементарными им олигонуклеотидами GnuS-C228T-метка или GnuS-C250T-метка, ковалентно модифицированным коммерчески доступной ГКР-меткой - например, родамином 6Ж (R6G). Далее 10 мкл полученной смеси наносят на планарную сенсорную поверхность. Иммобилизация зонда в настоящем изобретении основывается на специфическом электростатическом взаимодействии между якорной олигонуклеотидной последовательностью Gnus, входящей в состав зондов GnuS-C228T-метка и GnuS-C250T-метка и металлическими наночастицами. Благодаря высокой энергии связывания серебряных кластеров с цитозином (C) и гуанином (G), входящих в состав якорной последовательности, которая в несколько раз превышает энергию образования Уотсон-Криковских пар, серебряные частицы оказываются внутри якорной последовательности. Такое взаимодействие, в отличие от ковалентных сшивок, обеспечивает дополнительную структуризацию поверхности, что обеспечивает образование «горячих точек» (англ. “hot spots”) и усиление сигнала. Усиление сигнала комбинационного рассеяния в 102 - 108 раз достигается за счет создания дополнительных «горячих точек» на поверхности благодаря тому, что серебряные частицы оказываются внутри якорной последовательности. В составе индикаторной системы для детектирования мутаций C228Т и C250Т в промоторе гена hTERT использовали конструкцию, состоящую из дезоксиолигонуклеотида, обеспечивающего иммобилизацию зонда на последовательности наночастиц серебра (Gnus), с которым связана последовательность с ГКР-меткой (R6G), комплементарная последовательности аналита (Фиг. 11). Предложенный подход позволяет использовать метод спектроскопии ГКР с высокими коэффициентами чувствительности (до 105 -106 у.е.), низкими пределами обнаружения (ПО до 3 фМ), высоким соотношением сигнал/шум (отсутствие влияние матрицы реальных образцов на полезные сигналы), высокой селективностью (по отношению к неповрежденным фрагментам ДНК или мутациям иного происхождения), широким диапазоном определяемых концентраций (ДОК от 1⋅10-14 до 1·10-7 М), высокими воспроизводимостью и прецизионностью (коэффициенты корреляции градуировочных зависимостей составляет не менее 0.97, относительное стандартное отклонение при нижней определяемой концентрации не более 0.10) для качественного и количественного определения мутаций C228Т и C250Т в целях диагностики онкологических заболеваний. За счет направленного структурирования и упорядочивания, а также контроля расстояния от ГКР-метки до поверхности наночастиц регистрируется воспроизводимый на всей сенсорной поверхности усиленный сигнал ГКР. Предлагаемый способ определения ДНК демонстрирует отсутствие сигналов на спектрах гигантского комбинационного рассеяния для нормальных последовательностей ДНК и мутаций иного типа, что позволяет надежно селективно количественно определять характерные для рака мочевого пузыря мутации C228Т и C250Т с ПО до 10-15 М.The method consists in taking the patient's urine, then taking 20 μl of a liquid sample for hybridization of the mutant C228T and C250T DNA sequences supposedly contained there with their complementary oligonucleotides GnuS-C228T-tag or GnuS-C250T-tag, covalently modified with a commercially available GKR-tag - for example, rhodamine 6G (R6G). Next, 10 μl of the resulting mixture is applied to the planar sensor surface. The immobilization of the probe in the present invention is based on a specific electrostatic interaction between the Gnus anchor oligonucleotide sequence, which is part of the GnuS-C228T-tag and GnuS-C250T-tag probes, and metal nanoparticles. Due to the high binding energy of silver clusters with cytosine (C) and guanine (G), which are part of the anchor sequence, which is several times higher than the formation energy of Watson-Crick pairs, silver particles are inside the anchor sequence. This interaction, in contrast to covalent crosslinks, provides additional surface structuring, which ensures the formation of “hot spots” and signal amplification. Amplification of the Raman signal by a factor of 10 2 - 10 8 is achieved by creating additional "hot spots" on the surface due to the fact that the silver particles are inside the anchor sequence. As part of the indicator system for detecting mutations C228T and C250T in the promoter of the hTERT gene, a construct consisting of a deoxyoligonucleotide was used, which ensures the immobilization of the probe on the sequence of silver nanoparticles (Gnus), which is associated with the sequence with the GRS tag (R6G), complementary to the analyte sequence (Fig. eleven). The proposed approach makes it possible to use the SERS spectroscopy method with high sensitivity coefficients (up to 10 5 -10 6 c.u.), low detection limits (LOD up to 3 fM), high signal-to-noise ratio (no effect of the matrix of real samples on useful signals), high selectivity (with respect to intact DNA fragments or mutations of other origin), a wide range of determined concentrations (DOC from 1⋅10 -14 to 1 10 -7 M), high reproducibility and precision (correlation coefficients of calibration dependences is at least 0.97, relative standard deviation at the lower detectable concentration is not more than 0.10) for the qualitative and quantitative determination of C228T and C250T mutations in order to diagnose oncological diseases. Due to directional structuring and ordering, as well as control of the distance from the SERS label to the surface of the nanoparticles, an enhanced SERS signal reproduced over the entire sensor surface is recorded. The proposed method for determining DNA demonstrates the absence of signals in the giant Raman spectra for normal DNA sequences and mutations of a different type, which makes it possible to reliably selectively quantify C228T and C250T mutations characteristic of bladder cancer with LO up to 10 -15 M.

Технический результат достигается заявляемым набором, состоящим из (1) твердофазного планарного сенсора: диэлектрического химически инертного материала и наноструктурированного покрытия на основе наночастиц благородных металлов толщиной 0.1-10 мкм, и (2) 1 мкМ водных растворов, меченных красителем с пределом обнаружения не более 1 мкМ олигонуклеотидов: GnuS-C228T-метка и GnuS-C250T-метка (где Gnus - последовательность, состоящая из 15 - 20 аминокислот, из которых не менее 20% составляют цитозин (C) и гуанин (G), например последовательности SEQ ID №1 - №4) для детектирования и определения характерных для рака мочевого пузыря мутаций ДНК C228T и C250T в биологических пробах. Технический результат достигается способом детектирования и определения мутаций ДНК C228T и C250T, заключающимся в (1) нанесении на планарную сенсорную поверхность предварительно подготовленной жидкой пробы, полученной при гибридизации раствора анализируемой биологической жидкости пациента с комплементарным олигонуклеотидом GnuS-C228T-метка или GnuS-C250T-метка, ковалентно модифицированным коммерчески доступной ГКР-меткой; (2) облучении монохроматическим пучком лазера с длиной волны 485 - 785 нм и регистрации сигнала комбинационного рассеяния, при этом о качественном и количественном содержании мутаций ДНК C228T и C250T в изучаемом образце судят по положению и интенсивности полос на регистрируемых спектрах, характерных для метки-красителя.The technical result is achieved by the claimed set, consisting of (1) a solid-phase planar sensor: a dielectric chemically inert material and a nanostructured coating based on noble metal nanoparticles 0.1-10 µm thick, and (2) 1 µM aqueous solutions labeled with a dye with a detection limit of not more than 1 µM oligonucleotides: GnuS-C228T-tag and GnuS-C250T-tag (where Gnus is a sequence consisting of 15-20 amino acids, of which at least 20% are cytosine (C) and guanine (G), for example, the sequences of SEQ ID No. 1 - No. 4) for the detection and determination of C228T and C250T DNA mutations characteristic of bladder cancer in biological samples. The technical result is achieved by a method for detecting and determining C228T and C250T DNA mutations, which consists in (1) applying a preliminarily prepared liquid sample obtained by hybridization of a solution of the analyzed patient's biological fluid with a complementary oligonucleotide GnuS-C228T-tag or GnuS-C250T-tag , covalently modified with a commercially available SERS label; (2) irradiation with a monochromatic laser beam with a wavelength of 485 - 785 nm and registration of a Raman signal, while the qualitative and quantitative content of C228T and C250T DNA mutations in the studied sample is judged by the position and intensity of the bands on the recorded spectra, characteristic of the dye label .

При этом в качестве наночастиц благородных металлов используют серебро, золото, платину.At the same time, silver, gold, and platinum are used as nanoparticles of noble metals.

При этом наночастицы имеют размеры 20-90 нм и характеризуются полосой плазмонного резонанса 420-650 нм.The nanoparticles are 20–90 nm in size and are characterized by a plasmon resonance band of 420–650 nm.

При этом в качестве материала-носителя для наночастиц используют силикатное стекло.In this case, silicate glass is used as a carrier material for nanoparticles.

При этом используют 10-500 мкмоль благородного металла в расчете на 1 мм2 поверхности носителя с последующей сушкой.In this case, 10-500 µmol of noble metal is used per 1 mm 2 of the support surface, followed by drying.

При этом для нанесения пробы и однократного анализа используют поверхность площадью 4×4 мм2.At the same time, a surface of 4×4 mm 2 is used for applying a sample and a single analysis.

При этом количество ГКР-меченного олигонуклеотида используют в мольном соотношении от 1:1 к мутациям ДНК C228T и C250T.In this case, the amount of GKR-labeled oligonucleotide is used in a molar ratio of 1:1 to C228T and C250T DNA mutations.

При этом гибридизацию проводят путем нагрева и выдерживания в течение 5-10 мин при температуре 95°С, с последующим охлаждением до комнатной температуры.When this hybridization is carried out by heating and keeping for 5-10 min at a temperature of 95°C, followed by cooling to room temperature.

При этом подготовленные жидкие пробы наносят путем накапывания на поверхность наночастиц.In this case, the prepared liquid samples are applied by dropping onto the surface of the nanoparticles.

При этом используют жидкие пробы объемом 10 мкл с концентрацией мутаций ДНК C228T и C250T 10-15 - 10-2 М.In this case, liquid samples with a volume of 10 μl are used with a concentration of C228T and C250T DNA mutations of 10 -15 - 10 -2 M.

При этом при проведении анализа используют монохроматическое лазерное излучение с длиной волны 514 нм и мощностью, не превышающей 25% от номинальной величины излучения, в течение до 10 - 60 с.In this case, when performing the analysis, monochromatic laser radiation with a wavelength of 514 nm and a power not exceeding 25% of the nominal radiation value is used for up to 10 - 60 s.

При этом о качественном и количественном содержании мутаций ДНК C228T и C250T в образце судят по положению и интенсивности полос при 1385, 1470 и 1590 см-1 с допустимой величиной погрешности не более 10 см-1.At the same time, the qualitative and quantitative content of C228T and C250T DNA mutations in the sample is judged by the position and intensity of the bands at 1385, 1470 and 1590 cm -1 with an allowable error of not more than 10 cm -1 .

При использовании родамина 6Ж в качестве метки-красителя о наличии и содержании мутаций ДНК C228T и C250T в образце судят по положению и интенсивности полос при 1385, 1470 и 1590 см-1 с допустимой величиной погрешности не более 10 см-1.When using rhodamine 6G as a dye label, the presence and content of C228T and C250T DNA mutations in the sample is judged by the position and intensity of the bands at 1385, 1470 and 1590 cm -1 with an allowable error of not more than 10 cm -1 .

Для определения количественного содержания мутаций предварительно строят калибровочные кривые.To determine the quantitative content of mutations, calibration curves are preliminarily built.

Представленный способ пригоден для работы с портативным, коммерчески доступным, серийным оборудованием вне лабораторных условий. Таким образом, с использованием заявляемого оптического планарного сенсора возможно высокочувствительное и селективное качественное и количественное определение присутствующих в образце мутаций ДНК C228T и C250T «у постели больного».The presented method is suitable for use with portable, commercially available, off-the-shelf equipment outside of the laboratory. Thus, using the proposed optical planar sensor, highly sensitive and selective qualitative and quantitative determination of C228T and C250T DNA mutations present in the sample is possible at the bedside.

Таким образом, использование предлагаемого способа анализа позволяет узнавать о присутствии мутаций C228T и C250T и судить об их количественном содержании с высокой селективностью, широким диапазоном определяемых концентраций, высокой воспроизводимостью и прецизионностью.Thus, the use of the proposed method of analysis allows you to learn about the presence of mutations C228T and C250T and judge their quantitative content with high selectivity, a wide range of detectable concentrations, high reproducibility and precision.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлены фрагменты клонируемых вставок. Подчеркнутые буквы - нуклеотиды, соответствующие дикому типу.In FIG. 1 shows fragments of cloned inserts. Underlined letters are nucleotides corresponding to the wild type.

На фиг. 2 представлены А) подбор условий ПЦР-амплификации промотора гена hTERT с геномной ДНК человека (целевой продукт выделен рамкой); Б) продукты ПЦР-амплификации вставки с геномов клеточных линий HepG2 и A375.In FIG. 2 shows A) selection of conditions for PCR amplification of the hTERT gene promoter with human genomic DNA (the target product is highlighted in a box); B) PCR amplification products of the insert from the genomes of HepG2 and A375 cell lines.

На фиг. 3 представлена карта используемого вектора pUC19 с отмеченными сайтами клонирования HindIII и KpnI.In FIG. 3 is a map of the pUC19 vector used, with HindIII and KpnI cloning sites marked.

На фиг. 4 представлены хроматограммы, полученные с помощью секвенирования по Сэнгеру, для фрагментов вставок. Мутантные нуклеотиды выделены рамкой - 4б; нуклеотиды, соответствующие дикому типу, выделены рамкой - 4а.In FIG. 4 shows Sanger sequencing chromatograms for insert fragments. Mutant nucleotides are highlighted by a box - 4b; nucleotides corresponding to the wild type are highlighted in box - 4a.

На фиг. 5 представлена схема детектирования однонуклеотидных замен с помощью флуоресцентных TaqMan зондов. Зонды с меткой FAM комплементарны последовательностям мутантного типа, зонды с меткой R6G комплементарны последовательностям дикого типа.In FIG. 5 shows a scheme for detecting single nucleotide substitutions using fluorescent TaqMan probes. FAM-tagged probes are complementary to mutant-type sequences, R6G-tagged probes are complementary to wild-type sequences.

На фиг. 6 представлены химические структуры используемых флуоресцентных меток и длины волн, соответствующие максимуму испускания флуоресценции.In FIG. 6 shows the chemical structures of the fluorescent labels used and the wavelengths corresponding to the fluorescence emission maximum.

На фиг. 7 представлена схема структуры фрагмента промоторной области гена hTERT, содержащей сайты -124 и -146 от ATG (отмечены кружками), в которых возможно возникновение мутаций C228T и С250Т [Zvereva M., Pisarev E., Hosen I., Kisil O., Matskeplishvili S., Kubareva E., Kamalov D., Tivtikyan A., Manel A., Vian E., Kamalov A., Ecke T., Calvez-Kelm F.L. Activating telomerase TERT promoter mutations and their application for the detection of bladder cancer. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21(17), 6034]. Синим цветом обозначена G-цепь, красным С-цепь. Подчеркнуты участки, соответствующие праймерам, с помощью которых данный фрагмент был амплифицирован. Структура была получена с использованием программы “QGRS Mapper” при следующих параметрах: максимальная длина G - квадруплекса составила 30 нуклеотидов, минимальный размер нуклеотидной группы - 2 нуклеотида, размер петли - от 0 до 36 нуклеотидов.In FIG. Figure 7 shows a diagram of the structure of a fragment of the promoter region of the hTERT gene containing sites -124 and -146 from ATG (marked with circles), in which mutations C228T and C250T are possible [Zvereva M., Pisarev E., Hosen I., Kisil O., Matskeplishvili S., Kubareva E., Kamalov D., Tivtikyan A., Manel A., Vian E., Kamalov A., Ecke T., Calvez-Kelm FL Activating telomerase TERT promoter mutations and their application for the detection of bladder cancer. Int. J. Mol. sci. 2020, 21(17), 6034]. G-chain is marked in blue, C-chain is marked in red. The regions corresponding to the primers with which this fragment was amplified are underlined. The structure was obtained using the QGRS Mapper program with the following parameters: the maximum length of the G-quadruplex was 30 nucleotides, the minimum size of the nucleotide group was 2 nucleotides, and the loop size was from 0 to 36 nucleotides.

На фиг. 8 представлены а) результат цкПЦР, приведенный в виде двумерного картирования сигнала по двум независимым каналам. Соотношение плазмид мутантного типа к плазмидам дикого типа в данном эксперименте pUC19_235_C228Т : pUC19_235_wt = 1:4; б) результат цкПЦР для системы со 100% содержанием плазмиды pUC19_235_wt. Выше пороговой линии капли, соответствующие мутантной плазмиде pUC19_235_C228Т, отсутствуют.In FIG. 8 shows a) the result of ccPCR, shown as a two-dimensional mapping of the signal in two independent channels. The ratio of mutant-type plasmids to wild-type plasmids in this experiment pUC19_235_C228T : pUC19_235_wt = 1:4; b) ccPCR result for the system with 100% pUC19_235_wt plasmid content. Above the threshold line, there are no droplets corresponding to the mutant plasmid pUC19_235_C228T.

На фиг. 9 представлены уровни аналитической чувствительности метода на примере обнаружения мутантной плазмиды pUC19_235_C228Т на фоне большого содержания плазмиды дикого типа pUC19_235_wt. По оси абсцисс соотношение количества плазмид мутантного типа к плазмидам дикого типа. Концентрация плазмиды дикого типа во всех случаях составляет ~5000 копий в реакционной смеси. Раститровка по концентрациям плазмиды, содержащей мутацию С228Т, с исходной концентрацией ~2500 копий в реакционной смеси с шагом в 2 раза. Чувствительность обнаружения составила 2.03%.In FIG. Figure 9 shows the levels of analytical sensitivity of the method on the example of the detection of the mutant plasmid pUC19_235_C228T against the background of a high content of the wild-type plasmid pUC19_235_wt. On the abscissa axis, the ratio of the number of mutant-type plasmids to wild-type plasmids. The concentration of the wild-type plasmid in all cases is ~5000 copies in the reaction mixture. Titration by concentrations of the plasmid containing the C228T mutation with an initial concentration of ~2500 copies in the reaction mixture with a 2-fold step. The detection sensitivity was 2.03%.

На фиг. 10 представлены оптические микрофотографии поверхности наночастиц серебра при различных увеличениях объектива.In FIG. 10 shows optical micrographs of the surface of silver nanoparticles at various objective magnifications.

На фиг. 11 представлены а) схематичное изображение системы для детектирования фрагментов последовательности промотора гена hTERT, состоящей из иммобилизованного на поверхности наночастиц зонда с меткой R6G за счет якорной последовательности Gnus; б) сиквенсы последовательностей Gnus, GnuS-C250Т-R6G - зонда для детекции последовательности с мутацией С250Т и GnuS-C228Т-R6G - зонда для детекции последовательности с мутацией С228Т. Синим выделена последовательность, обеспечивающая иммобилизацию. Зеленым выделены участки, образующие дуплекс с аналитами.In FIG. 11 shows a) a schematic representation of a system for detecting fragments of the hTERT gene promoter sequence, consisting of a probe immobilized on the surface of nanoparticles labeled R6G due to the Gnus anchor sequence; b) sequence sequences of Gnus, GnuS-C250T-R6G - a probe for detecting a sequence with a C250T mutation and GnuS-C228T-R6G - a probe for detecting a sequence with a C228T mutation. The sequence providing immobilization is highlighted in blue. Areas that form a duplex with analytes are highlighted in green.

На фиг. 12 представлены спектры ГКР, полученные с использованием λex = 514 нм для зонда GnuS-C228T-R6G, нанесенного в объеме 10 мкл и в концентрациях 10-8 - 10-14 М на планарную поверхность наночастиц серебра. Номера на подписи соответствуют отрицательному десятичному логарифму концентрации образца: 8 - 10-8 М, 10 - 10-10 М, 12 - 10-12 М, 14 - 10-14 М. Рамками выделены положения характеристических пиков.In FIG. Figure 12 shows the SERS spectra obtained using λ ex = 514 nm for the GnuS-C228T-R6G probe deposited in a volume of 10 μl and at concentrations of 10 -8 - 10 -14 M on the planar surface of silver nanoparticles. The numbers on the signature correspond to the negative decimal logarithm of the sample concentration: 8 - 10 -8 M, 10 - 10 -10 M, 12 - 10 -12 M, 14 - 10 -14 M. The positions of the characteristic peaks are marked with frames.

На фиг. 13 представлены спектры ГКР, полученные с использованием λex = 514 нм для системы GnuS-C228T-R6G с A228, нанесенной в объеме 10 мкл и в концентрациях 10-8 - 10-14 М на планарную поверхность наночастиц серебра. Номера на подписи соответствуют отрицательному десятичному логарифму концентрации образца: 8 - 10-8 М, 10 - 10-10 М, 12 - 10-12 М, 14 - 10-14 М. Рамками выделены положения характеристических пиков.In FIG. Figure 13 shows the SERS spectra obtained using λ ex = 514 nm for the GnuS-C228T-R6G system with A228 deposited in a volume of 10 μl and at concentrations of 10 -8 - 10 -14 M on the planar surface of silver nanoparticles. The numbers on the signature correspond to the negative decimal logarithm of the sample concentration: 8 - 10 -8 M, 10 - 10 -10 M, 12 - 10 -12 M, 14 - 10 -14 M. The positions of the characteristic peaks are marked with frames.

На фиг. 14 представлены спектры ГКР, полученные с использованием λex = 514 нм для зонда GnuS-C250T-R6G, нанесенного в объеме 10 мкл и в концентрациях 10-8 - 10-14 М на планарную поверхность наночастиц серебра. Номера на подписи соответствуют отрицательному десятичному логарифму концентрации образца: 8 - 10-8 М, 9 - 10-9 М, 10 - 10-10 М, 11 - 10-11 М, 12 - 10-12 М, 13 - 10-13 М, 14 - 10-14 М. Голубыми рамками выделены положения характеристических пиков.In FIG. Figure 14 shows the SERS spectra obtained using λ ex = 514 nm for the GnuS-C250T-R6G probe deposited in a volume of 10 μl and at concentrations of 10 -8 - 10 -14 M on the planar surface of silver nanoparticles. The numbers on the signature correspond to the negative decimal logarithm of the sample concentration: 8 - 10 -8 M, 9 - 10 -9 M, 10 - 10 -10 M, 11 - 10 -11 M, 12 - 10 -12 M, 13 - 10 -13 M, 14 - 10 -14 M. The positions of the characteristic peaks are marked with blue frames.

На фиг. 15 представлены спектры ГКР, полученные с использованием λex = 514 нм для системы GnuS-C250T-R6G с A250, нанесенной в объеме 10 мкл и в концентрациях 10-8 - 10-14 М на планарную поверхность наночастиц серебра. Номера на подписи соответствуют отрицательному десятичному логарифму концентрации образца: 8 - 10-8 М, 9 - 10-9 М, 10 - 10-10 М, 11 - 10-11 М, 12 - 10-12 М, 13 - 10-13 М, 14 - 10-14 М. Голубыми рамками выделены положения характеристических пиков.In FIG. Figure 15 shows the SERS spectra obtained using λ ex = 514 nm for the GnuS-C250T-R6G system with A250 deposited in a volume of 10 μl and at concentrations of 10 -8 - 10 -14 M on the planar surface of silver nanoparticles. The numbers on the signature correspond to the negative decimal logarithm of the sample concentration: 8 - 10 -8 M, 9 - 10 -9 M, 10 - 10 -10 M, 11 - 10 -11 M, 12 - 10 -12 M, 13 - 10 -13 M, 14 - 10 -14 M. The positions of the characteristic peaks are marked with blue frames.

На фиг. 16 представлены а) вторичные структуры, образованные последовательностью зонда GnuS-C228Т-R6G. Метка R6G находится на 3' - конце цепи; б) место наиболее вероятного образования G-квадруплекса.In FIG. 16 shows a) secondary structures formed by the GnuS-C228T-R6G probe sequence. The R6G label is located at the 3' end of the chain; b) the place of the most probable formation of the G-quadruplex.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

В настоящем изобретении приняты следующие обозначения и термины:In the present invention, the following designations and terms are adopted:

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография,HPLC - high performance liquid chromatography,

ГКР - гигантское комбинационное рассеяние,GRS - giant Raman scattering,

Спектр ГКР - спектр комбинационного рассеяния с сигналами, усиленными за счет эффекта поверхностного плазмонного резонанса на наноструктурах благородных металлов,SERS spectrum - Raman scattering spectrum with signals amplified due to the effect of surface plasmon resonance on noble metal nanostructures,

ДМАА - диметиламиламин,DMAA - dimethylamylamine,

ДМСО - диметилсульфоксид,DMSO - dimethyl sulfoxide,

ДМФА - диметилформамид,DMF - dimethylformamide,

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота,DNA - deoxyribonucleic acid,

ДОК - диапазон определяемых концентраций,DOC - range of determined concentrations,

ИФА - иммуноферментный анализ,ELISA - enzyme immunoassay,

кДНК - комплементарная дезоксирибонуклеиновая кислота,cDNA - complementary deoxyribonucleic acid,

мРНК - матричная рибонуклеиновая кислота,mRNA - matrix ribonucleic acid,

НЧС - наночастицы серебра,SNPs - silver nanoparticles,

ОФ-ВЭЖХ - обращено-фазовая ВЭЖХ,RP-HPLC - reverse phase HPLC,

ПО - предел обнаружения,ON - limit of detection,

Промотор - участок олигонуклеотидной последовательности, узнаваемый РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала транскрипции,Promoter - a region of the oligonucleotide sequence recognized by RNA polymerase as a launching pad for the start of transcription,

ПЦР - полимеразная цепная реакция,PCR - polymerase chain reaction,

РНК - рибонуклеиновая кислота,RNA - ribonucleic acid,

СНП - секвенирование нового поколения,SNP - next generation sequencing,

Спектр ГКР - спектр комбинационного рассеяния с сигналами, усиленными за счет эффекта поверхностного плазмонного резонанса на наноструктурах благородных металлов,SERS spectrum - Raman scattering spectrum with signals amplified due to the effect of surface plasmon resonance on noble metal nanostructures,

сцДНК - свободно циркулирующая ДНК дезоксирибонуклеиновая кислота,scDNA - free circulating DNA deoxyribonucleic acid,

Трис-HCl - раствор трисаминометана с соляной кислотой,Tris-HCl - a solution of trisaminomethane with hydrochloric acid,

цкПЦР - цифровая капельная полимеразная цепная реакция,ccPCR - digital drop polymerase chain reaction,

цоДНК - циркулирующая опухолевая дезоксирибонуклеиновая кислота,cDNA - circulating tumor deoxyribonucleic acid,

ЭДТА - этилендиаминтетрацетат натрия,EDTA - sodium ethylenediaminetetraacetate,

A - аденин,A - adenine,

ACTB - англ. actin, cytoplasmic a - высококонсервативный белок, который полимеризуется с образованием нитей, которые образуют сшитые сети в цитоплазме клеток,ACTB - English. actin, cytoplasmic a - a highly conserved protein that polymerizes to form filaments that form cross-linked networks in the cytoplasm of cells,

BRAF - Серин/треониновая протеинкиназа B-raf; англ. Serine/threonine-protein kinase B-raf; КФ:2.7.11.25,BRAF - Serine/threonine protein kinase B-raf; English Serine/threonine-protein kinase B-raf; CF: 2.7.11.25,

C - цитозин,C - cytosine,

ESI-MS - масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением,ESI-MS - electrospray ionization mass spectrometry,

FAM - флуоресцеин (3’,6’-дигидрокси-3H-спиро[2-бензофуран-1,9’-ксантен]-3-он),FAM - fluorescein (3',6'-dihydroxy-3H-spiro[2-benzofuran-1,9'-xanthene]-3-one),

G - гуанин,G - guanine,

hTERT - теломераза обратной транскриптазы,hTERT - reverse transcriptase telomerase,

KRAS - протоонкоген, представитель семейства белков Ras (это семейство генов, а также белки, которые они кодируют - малые G-белки),KRAS is a proto-oncogene, a member of the Ras protein family (this is a family of genes, as well as the proteins they encode - small G proteins),

PAGE - денатурирующий полиакриловый гель,PAGE - denaturing polyacrylic gel,

R6G - родамин 6Ж (этил-2-[3-(этиламино)-6-этилимино-2,7-диметилксантен-9-ил]бензоат гидрохлорид),R6G - rhodamine 6G (ethyl 2-[3-(ethylamino)-6-ethylimino-2,7-dimethylxanthen-9-yl]benzoate hydrochloride),

SERS - англ. surface enhanced Raman spectroscopy,SERS - English. surface enhanced Raman spectroscopy,

T - тимин,T - thymine,

TAMRA - раствор трет-бутиламин/вода, 1:3 об./об.,TAMRA - tert-butylamine/water solution, 1:3 v/v,

TBTA - трис(бензилтриазолил)амин,TBTA - tris(benzyltriazolyl)amine,

TFDP1 - англ. Transcription Factor Dp-1 - ген, кодирующим белок. Заболевания, связанные с TFDP1, включают колоректальный рак и гепатоцеллюлярную карциному.TFDP1 - English. Transcription Factor Dp-1 is a gene encoding a protein. Diseases associated with TFDP1 include colorectal cancer and hepatocellular carcinoma.

Химические символы / сокращения имеют свои обычные значения: °С (градус (градусы) Цельсия), нм (нанометр (нанометры)), мкм (микрометр (микрометры)), см (сантиметр (сантиметр)), мин (минута (минуты)), с (секунда (секунды)), мкл (микролитр (микролитры)), мкг (микрограмм (микрограммы)), М (моль (моли) в литре), л (литр (литры)), мл (миллилитр (миллилитры)), мкл (микролитр (микролитры)), г (грамм (граммы)), мг (миллиграмм (миллиграммы)), моль (моли), ммоль (миллимоль (миллимоли)), масс. % (массовый процент (массовые проценты)), м.м. (молекулярная масса).Chemical symbols/abbreviations have their usual meanings: °C (degree(s) Celsius), nm (nanometer(s)), µm (micrometer(s)), cm (centimeter(s)), min(minute(s)) , s (second (seconds)), µl (microliter (microliters)), µg (micrograms (micrograms)), M (moles (moles) per liter), l (liter (liters)), ml (milliliter (milliliters)) , µl (microliter (microliters)), g (gram (grams)), mg (milligram (milligrams)), mol (moles), mmol (millimoles (millimoles)), wt. % (mass percent (mass percent)), m.m. (molecular mass).

Представленные ниже примеры конкретного осуществления изобретения приведены для предоставления специалистам в данной области техники полного описания проведения и применения анализа по изобретению, но не ограничивают предполагаемый авторами изобретения объем изобретения.The following examples of specific implementation of the invention are provided to provide specialists in the art with a complete description of the conduct and application of the assay according to the invention, but do not limit the scope of the invention intended by the inventors.

Все приведенные ниже реагенты являются коммерчески доступными. Все процедуры, если не оговорено особо, осуществляли при комнатной температуре или температуре окружающей среды, то есть в диапазоне от 18 до 25°C. В ходе всех экспериментов для приготовления водных растворов и промывки суспензий использовали деионизированную воду высокой чистоты с удельным сопротивлением не менее 18.2 МОм⋅см, очищенную с использованием установки «Milli-Q», «Millipore». Спектры ГКР зарегистрированы при помощи микроскопа «InVia Reflex» («Renishaw», Великобритания) в конфокальном режиме с использованием Ar+ лазера (длина волны - 514.5 нм, 20 мВт). Пропускание широкополосного фильтра нейтральной плотности составляло 10% для спектров ГКР. Время накопления сигнала - 10 с. Юстировку прибора проводили с использованием монокристаллических пластин кремния в качестве стандарта. Фокусное расстояние используемого объектива 250 мм, максимальный размер пятна лазера на объекте - ок. 300 мкм. Все спектры были сняты с использованием 50×-го объектива «Leica».All of the following reagents are commercially available. All procedures, unless otherwise noted, were carried out at room temperature or ambient temperature, that is, in the range from 18 to 25°C. In the course of all experiments, high-purity deionized water with a resistivity of at least 18.2 MΩ cm, purified using a Milli-Q, Millipore unit, was used to prepare aqueous solutions and wash suspensions. SERS spectra were recorded using an InVia Reflex microscope (Renishaw, UK) in the confocal mode using an Ar+ laser (wavelength 514.5 nm, 20 mW). The transmission of the broadband neutral density filter was 10% for the SERS spectra. Signal accumulation time - 10 s. The device was adjusted using single-crystal silicon wafers as a standard. The focal length of the lens used is 250 mm, the maximum size of the laser spot on the object is approx. 300 µm. All spectra were taken using a 50x Leica objective.

Заявляемый тест-набор состоит из двух ключевых компонентов: планарного наноструктурированного ГКР-сенсора и растворов меченных красителем с пределом обнаружения не более 1 мкМ, например родамином 6Ж, олигонуклетидов: GnuS-C228T-метка и GnuS-C250T-метка (где Gnus - последовательность, состоящая из 15 - 20 аминокислот, из которых не менее 20% составляют цитозин (C) и гуанин (G), например последовательности SEQ ID №1 - №4). Использование предложенного набора заключается в нанесении на планарную сенсорную поверхность предварительно подготовленной жидкой пробы, полученной при гибридизации раствора анализируемой биологической жидкости пациента с комплементарным олигонуклеотидом GnuS-C228T-метка или GnuS-C250T-метка, ковалентно модифицированным коммерчески доступной ГКР-меткой; при этом о качественном и количественном содержании мутаций ДНК C228T и C250T в изучаемом образце судят по положению и интенсивности полос на регистрируемых спектрах ГКР.The claimed test kit consists of two key components: a planar nanostructured SERS sensor and solutions labeled with a dye with a detection limit of not more than 1 μM, for example, rhodamine 6G, oligonucleotides: GnuS-C228T-label and GnuS-C250T-label (where Gnus is the sequence, consisting of 15 to 20 amino acids, of which at least 20% are cytosine (C) and guanine (G), for example, sequences of SEQ ID No. 1 - No. 4). The use of the proposed kit consists in applying to the planar sensor surface a preliminarily prepared liquid sample obtained by hybridization of a solution of the analyzed biological fluid of a patient with a complementary oligonucleotide GnuS-C228T-tag or GnuS-C250T-tag, covalently modified with a commercially available SERS-label; at the same time, the qualitative and quantitative content of C228T and C250T DNA mutations in the studied sample is judged by the position and intensity of the bands on the recorded SERS spectra.

Пример 1. Способ селективного детектирования мутаций C228T и C250T методом спектроскопии ГКРExample 1 Method for Selective Detection of C228T and C250T Mutations by SERS Spectroscopy

Синтез наноструктурированной поверхности серебра. В качестве ГКР-усилителя использовали планарный оптический ГКР-сенсор, представляющий собой нанесенные на поверхность тонкой стеклянной пластинки наночастицы серебра толщиной 0.4 - 1.5 мкм. Получение наноструктурированной поверхности серебра осуществлялось пиролизом аэрозоля аммиачного комплекса. К 100 мл свежеприготовленного 0.17 М водного раствора нитрата серебра (2.93 г) по каплям со стеклянной палочки при постоянном перемешивании добавляли ~30 мл 0.1 М водного раствора гидроксида натрия до полного выпадения черно-коричневого осадка оксида серебра (I). Затем осадок Ag2O тщательно промывали деионизованной водой (трижды порциями по 100 мл воды), далее добавляли 100 мл воды и по каплям 7 мл концентрированного водного раствора аммиака при постоянном перемешивании для образования водного раствора аммиачного комплекса серебра. После полного растворения осадка дополнительно добавляли 25 мл концентрированного водного раствора аммиака для предотвращения выпадения оксида серебра (I) в процессе аэрозольного распыления аммиачного комплекса. Бóльшие количества аммиака существенно ухудшали микроструктуру образующихся в процессе пиролиза серебряных колец. Раствор разбавляли до 170 мл водой. Полученный прозрачный 0.1 М раствор комплекса серебра фильтровали через мембранный фильтр, затем разбавляли в 8 раз водой до концентрации [Ag(NH3)2]OH 12.5 мМ. В контейнер установки ультразвукового аэрозольного ингалятора переносили 50 мл конечного раствора. Два покровных стекла предварительно отмывали травильным раствором пиранья (H2SO4: H2O2 = 3 : 1) и нагревали на дне химического стакана до 290 - 320°С. На небулайзер устанавливали патрубок-переходник с диаметром ~1 см. Использовали параметры распыления: 7 на «УЗ» и 1 на «Воздух». Таким образом, серебро наносили на поверхность покровного стекла ультразвуковым серебряным дождем аммиачного комплекса серебра (I). Аэрозольные капли диаметром 1-5 мм служили микрореакторами и обеспечивали формирование кольцевых кластеров наночастиц серебра диаметром 90±5 нм (Фиг. 10). Морфология получаемых сенсорных наноструктурированных поверхностей контролировалась методом сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией. Важное свойство предложенных серебряных сенсоров заключалось в реализации широкой полосы возбуждения плазмонного резонанса, которая покрывала весь видимый диапазон длин волн, начиная с 420 нм. Это позволило получить резонансно усиленный сигнал ГКР от широкого набора меток, включая родамин 6Ж (R6G), флуоресцеин (FAM) и цианин (Cy3, Cy5 и др.) (Фиг. 6). Для получения резонансно-усиленного сигнала ГКР необходимо, чтобы область частот возбуждения плазмонного резонанса перекрывалась с полосой поглощения ГКР-метки. Поскольку коммерчески доступные аргоновый и гелий-неоновый лазеры излучают в области видимого света с наиболее сильной интенсивностью при длинах волн 514.5 и 633 нм соответственно, в качестве наиболее подходящей ГКР-активной молекулы-репортера выбрали родамин 6G (λmax ≈ 524 нм).Synthesis of nanostructured silver surface. As an SERS amplifier, a planar optical SERS sensor was used, which is silver nanoparticles 0.4–1.5 μm thick deposited on the surface of a thin glass plate. Obtaining a nanostructured silver surface was carried out by pyrolysis of an aerosol of an ammonia complex. To 100 ml of a freshly prepared 0.17 M aqueous solution of silver nitrate (2.93 g) was added dropwise from a glass rod with constant stirring ~30 ml of a 0.1 M aqueous solution of sodium hydroxide until a black-brown precipitate of silver oxide (I) completely precipitated. Then the Ag 2 O precipitate was thoroughly washed with deionized water (three times with 100 ml of water), then 100 ml of water and 7 ml of a concentrated aqueous ammonia solution were added dropwise with constant stirring to form an aqueous solution of the ammonium silver complex. After complete dissolution of the precipitate, 25 ml of a concentrated aqueous ammonia solution was additionally added to prevent precipitation of silver oxide (I) during the aerosol spraying of the ammonia complex. Larger amounts of ammonia significantly worsened the microstructure of the silver rings formed in the course of pyrolysis. The solution was diluted to 170 ml with water. The resulting transparent 0.1 M solution of the silver complex was filtered through a membrane filter, then diluted 8 times with water to a concentration of [Ag(NH 3 ) 2 ]OH of 12.5 mM. 50 ml of the final solution was transferred to the container of the ultrasonic aerosol inhaler. Two coverslips were pre-washed with piranha etching solution (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 3 : 1) and heated at the bottom of the beaker to 290 - 320°C. An adapter pipe with a diameter of ~1 cm was installed on the nebulizer. The spray parameters were used: 7 for “US” and 1 for “Air”. Thus, silver was deposited on the surface of the coverslip with an ultrasonic silver shower of silver(I) ammonia complex. Aerosol droplets with a diameter of 1-5 mm served as microreactors and ensured the formation of ring clusters of silver nanoparticles with a diameter of 90±5 nm (Fig. 10). The morphology of the obtained sensory nanostructured surfaces was controlled by the method of scanning electron microscopy with field emission. An important property of the proposed silver sensors was the implementation of a wide plasmon resonance excitation band, which covered the entire visible wavelength range, starting from 420 nm. This made it possible to obtain a resonantly enhanced SERS signal from a wide range of labels, including rhodamine 6G (R6G), fluorescein (FAM), and cyanine (Cy3, Cy5, etc.) (Fig. 6). To obtain a resonantly enhanced SERS signal, it is necessary that the region of plasmon resonance excitation frequencies overlap with the absorption band of the SERS label. Since commercially available argon and helium-neon lasers emit in the visible light region with the strongest intensity at wavelengths of 514.5 and 633 nm, respectively, rhodamine 6G (λ max ≈ 524 nm) was chosen as the most suitable SERS-active reporter molecule.

В качестве планарного сенсорного элемента для усиления сигнала комбинационного рассеяния может быть использована любая шероховатая металлическая поверхность, характеризующаяся шероховатостью не менее 2 нм и обладающая эффектом поверхностного плазмонного резонанса, что было подтверждено на примере серебра и золота.Any rough metal surface characterized by a roughness of at least 2 nm and having the effect of surface plasmon resonance can be used as a planar sensor element to amplify the Raman signal, which was confirmed by the example of silver and gold.

Наиболее перспективная стратегия создания систем детектирования последовательностей нуклеиновых кислот с помощью спектроскопии ГКР заключается в использовании разработанной аналитической системы, в которой регистрация целевой ДНК происходит за счет комплементарных взаимодействий мишени с ГКР-меченым зондом, иммобилизованном на поверхности наночастиц металла.The most promising strategy for creating systems for detecting nucleic acid sequences using SERS spectroscopy is to use the developed analytical system, in which target DNA is detected due to complementary interactions of the target with SERS-labeled probe immobilized on the surface of metal nanoparticles.

Синтез меченых последовательностей олигонуклеотидов. Для получения меченых последовательностей олигонуклеотидов использовали автоматизированную методику синтеза, ранее описанную и приведенную в работах авторов «Способ обнаружения и определения ДНК с заданной последовательностью методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния» Патент РФ № 2723160 от 09.06.2020 г.; V. M. Farzan, E. A. Ulashchik, Y. V. Martynenko-Makaev, M. V. Kvach, I. O. Aparin, V. A. Brylev, T. A. Prikazchikova, S. Y. Maklakova, A. G. Majouga, A. V. Ustinov, G. A. Shipulin, V. V. Shmanai, V. A. Korshun and T. S. Zatsepin. Automated solid-phase click synthesis of oligonucleotide conjugates: From small molecules to diverse n‐acetylgalactosamine clusters. Bioconjug. Chem. 2017. V. 28. P. 2599-2607]. 5’-Алкин-модифицированные олигонуклеотиды получали в синтезаторах олигонуклеотидов ASM-2000 («Biosset») или MM-12 («Bioautomation») с использованием амидофосфитного метода. Защищенные 2’-дезоксирибонуклеозид-3'-фосфорамидиты, Unylinker-CPG (500 Å) и S-этилтио-1H-тетразол были приобретены у «ChemGenes». Раствор азида 6-R6G (100 мМ) и медного катализатора CuI⋅P(OEt)3 (100 мМ) в апротонном биполярном растворителе (диметилсулфоксиде (ДМСО), диметилфорамиде (ДМФА) или диметиламиламине (ДМАА), 100 мкл) добавляли к 5’-алкин-модифицированным олигонуклеотидам, связанным с твердой фазой в колонке (1 мкмоль) 5 раз каждые 30 мин. Через 3 ч твердый носитель тщательно промывали (10 × 150 мкл ДМСО, затем 3 × 150 мкл ацетонитрила) с последующим снятием защиты у цианоэтильных групп (2 × 10% диэтиламина в ацетонитриле (10 мин) и полное снятие защиты с использованием смеси TAMRA (трет-бутиламин/вода, 1:3 об./об.) при 55°С в течение ночи. Раствор выпаривали и аликвоту анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и масс-спектрометрии с электрораспылительной ионизацией (ESI-MS).Synthesis of labeled oligonucleotide sequences. To obtain labeled oligonucleotide sequences, an automated synthesis technique was used, previously described and given in the authors' works "Method for detecting and determining DNA with a given sequence by giant Raman spectroscopy" RF Patent No. 2723160 of 06/09/2020; VM Farzan, EA Ulashchik, YV Martynenko-Makaev, MV Kvach, IO Aparin, VA Brylev, TA Prikazchikova, SY Maklakova, AG Majouga, AV Ustinov, GA Shipulin, VV Shmanai, VA Korshun and TS Zatsepin. Automated solid-phase click synthesis of oligonucleotide conjugates: From small molecules to diverse n-acetylgalactosamine clusters. Bioconjug. Chem. 2017. V. 28. P. 2599-2607]. 5'-Alkyne-modified oligonucleotides were obtained in an ASM-2000 (Biosset) or MM-12 (Bioautomation) oligonucleotide synthesizer using the phosphoramide method. Protected 2'-deoxyribonucleoside-3'-phosphoramidites, Unylinker-CPG (500 Å) and S-ethylthio-1H-tetrazole were purchased from ChemGenes. A solution of azide 6-R6G (100 mM) and copper catalyst CuI⋅P(OEt) 3 (100 mM) in an aprotic bipolar solvent (dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMFA) or dimethylamylamine (DMAA), 100 μl) was added to 5' -alkyne-modified oligonucleotides bound to the solid phase in the column (1 μmol) 5 times every 30 min. After 3 h, the solid support was thoroughly washed (10 x 150 µl DMSO, then 3 x 150 µl acetonitrile) followed by deprotection of the cyanoethyl groups (2 x 10% diethylamine in acetonitrile (10 min) and complete deprotection using a mixture of TAMRA (tert -butylamine/water, 1:3 v/v) at 55° C. overnight The solution was evaporated and an aliquot analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) and electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS).

Полученные олигонуклеотиды дважды очищали денатурирующим полиакриловым гелем (PAGE), а затем методом обращенно-фазовой ВЭЖХ и (ОФ-ВЭЖХ). Гель-электрофорез денатурированных олигонуклеотидов проводили в 15% PAGE, содержащем 7 М мочевины в трис-боратном буфере (50 мМ Трис-HCl, 50 мМ борная кислота, 1 мМ этилендиаминтетрацетат натрия (ЭДТА), рН 8.3). Олигонуклеотиды извлекали из геля путем электроэлюции с помощью Elutrap (Whatman) в трис-боратном буфере (5 мМ Трис-HCl, 5 мМ борная кислота, 0.1 мМ ЭДТА, рН 8.3). Анализ методом ВЭЖХ и очистку олигонуклеотидов проводили с использованием хроматографической колонны 2.1×50 мм Jupiter С18 (5 мкм, «Phenomenex»), буфера А: 10 мМ диизопропиламин и 15 мМ 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанол и буфера Б: 10 мМ диизопропиламин, 15 мМ 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанол и 80% ацетонитрил. Соли промывали буфером А (4 цикла), а затем 100% буфера Б (2 цикла) при скорости потока 0.3 мл/мин и температуре 45°C. Структуру полученных олигонуклеотидов подтверждали методом ESI-MS с использованием системы Agilent 1260-Bruker Maxis Impact. Масс-спектрометрический анализ олигонуклеотидов проводился в отрицательном режиме (капиллярное напряжение 3500 В), и регистрируемые спектры пересчитывали методом максимальной энтропии.The resulting oligonucleotides were purified twice with denaturing polyacrylic gel (PAGE) followed by reverse phase HPLC and (RP-HPLC). Gel electrophoresis of denatured oligonucleotides was performed in 15% PAGE containing 7 M urea in Tris-borate buffer (50 mM Tris-HCl, 50 mM boric acid, 1 mM sodium ethylenediaminetetraacetate (EDTA), pH 8.3). Oligonucleotides were recovered from the gel by electroelution with Elutrap (Whatman) in Tris-borate buffer (5 mM Tris-HCl, 5 mM boric acid, 0.1 mM EDTA, pH 8.3). HPLC analysis and purification of oligonucleotides were performed using a 2.1 × 50 mm Jupiter C18 chromatographic column (5 μm, Phenomenex), buffer A: 10 mM diisopropylamine and 15 mM 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol and buffer B: 10 mM diisopropylamine, 15 mM 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol and 80% acetonitrile. The salts were washed with buffer A (4 cycles) and then with 100% buffer B (2 cycles) at a flow rate of 0.3 ml/min and a temperature of 45°C. The structure of the obtained oligonucleotides was confirmed by ESI-MS using an Agilent 1260-Bruker Maxis Impact system. Mass spectrometric analysis of oligonucleotides was carried out in the negative mode (capillary voltage 3500 V), and the recorded spectra were recalculated by the maximum entropy method.

Полученный 5’-алкин-модифицированных олигонуклеотид модифицировали малыми молекулами ГКР-индикаторов. Полученный олигонуклеотид готовили в твердой фазе и связывали с 5'-алкинфосфорамидитом. Клик-модификацию проводили на твердой фазе путем добавления 10 мМ раствора азида, 100 мМ CuI⋅P(OEt)3 4×100 мкл (азида 2 экв.) в течение 4 ч с последующим промыванием. В большинстве случаев олигонуклеотиды отщепляли от носителя и снимали защиту в синтезаторе, используя 1,2-этилендиамин/толуол, 1:1 об./об., в течение 2 ч при комнатной температуре с последующим промыванием (4×150 мкл ацетонитрила) и элюирование 50% ацетонитрилом в воде или снятие защиты с использованием раствора АМА (концентрированный водный аммиак и 40% водный метиламин, 1:1 об./об.) в течение 30 мин при 65°С. Для R6G-меченных олигонуклеотидов снятие защиты проводили с использованием раствора TAMRA при 55°C в течение ночи. Для FAM-меченных олигонуклеотидов использовали две схемы снятия защиты (концентрированный водный раствор аммиака при комнатной температуре в течение 2 и 18 ч). Для переключения фазы раствора 5'-алкин-модифицированный олигонуклеотид (2 нмоль) растворяли в 1 М ацетате триэтиламмония (30 мкл). Затем добавляли 20 мкл раствора медного катализатора в 60% ДМСО (15 мМ трис(бензилтриазолил)амин (TBTA) и 13 мМ сульфата меди (II)), а затем 4 мкл 10 мМ азида FAM в ДМСО и 140 мкл 80% ДМСО. Раствор дегазировали и дважды заполняли аргоном в вакуумном центрифужном концентраторе, а затем добавляли дегазированный раствор аскорбиновой кислоты (0.25 М, 6 мкл). Реакционную смесь оставляли на ночь при комнатной температуре, и олигонуклеотидный продукт осаждали 4% LiClO4 в ацетоне (1 мл). Очистку и анализ методом ВЭЖХ проводили, как описано выше.The resulting 5'-alkyne-modified oligonucleotide was modified with small molecules of SERS indicators. The resulting oligonucleotide was prepared in the solid phase and associated with 5'-alkynephosphoramidite. Click modification was performed on the solid phase by adding 10 mM azide solution, 100 mM CuI⋅P(OEt) 3 4×100 μl (azide 2 eq.) for 4 h followed by washing. In most cases, oligonucleotides were cleaved from the carrier and deprotected in the synthesizer using 1,2-ethylenediamine/toluene, 1:1 v/v for 2 h at room temperature followed by a wash (4 x 150 µl acetonitrile) and elution 50% acetonitrile in water or deprotection using an AMA solution (concentrated aqueous ammonia and 40% aqueous methylamine, 1:1 v/v) for 30 min at 65°C. For R6G-labeled oligonucleotides, deprotection was performed using a TAMRA solution at 55° C. overnight. For FAM-labeled oligonucleotides, two deprotection schemes were used (concentrated aqueous ammonia at room temperature for 2 and 18 hours). To switch the phase of the solution, the 5'-alkyne-modified oligonucleotide (2 nmol) was dissolved in 1 M triethylammonium acetate (30 μl). Then 20 µl of a copper catalyst solution in 60% DMSO (15 mM tris(benzyltriazolyl)amine (TBTA) and 13 mM copper(II) sulfate) was added, followed by 4 µl of 10 mM FAM azide in DMSO and 140 µl of 80% DMSO. The solution was degassed and filled twice with argon in a vacuum centrifuge concentrator, and then a degassed solution of ascorbic acid (0.25 M, 6 μl) was added. The reaction mixture was left overnight at room temperature, and the oligonucleotide product was precipitated with 4% LiClO 4 in acetone (1 ml). Purification and HPLC analysis were performed as described above.

Обычно для иммобилизации зонда на металлической поверхности используют ковалентные взаимодействия между модифицированным олигонуклеотидом и наночастицами металла. Иммобилизация зонда в настоящем изобретении основывалась на специфическом электростатическом взаимодействии между якорной олигонуклеотидной последовательностью Gnus, входящей в состав зонда и содержащей не менее 20% цитозиновых и гуаниновых нуклеотидов, и металлическими наночастицами. Благодаря высокой энергии связывания серебряных кластеров с цитозином (C) и гуанином (G), входящих в состав якорной последовательности, которая в несколько раз превышает энергию образования Уотсон-Криковских пар, серебряные частицы оказываются внутри якорной последовательности. Такое взаимодействие, в отличие от ковалентных сшивок, обеспечивает дополнительную структуризацию поверхности, что обеспечивает образование горячих точек и усиление сигнала [Bossert N., de Bruin D.,

Figure 00000003
et al. Fluorescence-tunable Ag-DNA biosensor with tailored cytotoxicity for live-cell applications // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 37897]. В приведенных примерах в качестве последовательности GnuS рассматривали 5’-TGCCTTTTGGGGACGGATA-3’. При этом при использовании иных последовательностей GnuS (5’-AATGATCTTAACCAAGTATA-3’, 5’-TCGGTTGGGGAGCCTAT-3’ и 5’-TGGCTAATCCCCTCGGATA-3’), т.е. при сохранении длины зонда от 15 до 20 нуклеиновых кислот и содержании цитозина и гуанина не менее 20% обеспечивались аналогичные чувствительность, селективность, экспрессность и достоверность анализа.Usually, to immobilize a probe on a metal surface, covalent interactions between the modified oligonucleotide and metal nanoparticles are used. Immobilization of the probe in the present invention was based on a specific electrostatic interaction between the Gnus anchor oligonucleotide sequence, which is part of the probe and contains at least 20% of cytosine and guanine nucleotides, and metal nanoparticles. Due to the high binding energy of silver clusters with cytosine (C) and guanine (G), which are part of the anchor sequence, which is several times higher than the formation energy of Watson-Crick pairs, silver particles are inside the anchor sequence. Such interaction, in contrast to covalent crosslinks, provides additional surface structuring, which ensures the formation of hot spots and signal amplification [Bossert N., de Bruin D.,
Figure 00000003
et al. Fluorescence-tunable Ag-DNA biosensor with tailored cytotoxicity for live-cell applications // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 37897]. In the examples given, 5'-TGCCTTTTGGGGACGGATA-3' was considered as the GnuS sequence. At the same time, when using other GnuS sequences (5'-AATGATCTTAACCAAGTATA-3', 5'-TCGGTTGGGGAGCCTAT-3' and 5'-TGGCTAATCCCCTCGGATA-3'), i.e. while maintaining the length of the probe from 15 to 20 nucleic acids and the content of cytosine and guanine of at least 20%, similar sensitivity, selectivity, rapidity and reliability of the analysis were provided.

В качестве системы детектирования мутаций C228Т и C250Т в промоторе гена hTERT использовали конструкцию, состоящую из дезоксиолигонуклеотида, обеспечивающего иммобилизацию зонда на последовательности наночастиц серебра (Gnus), с которым связана последовательность с ГКР-меткой (R6G), комплементарная последовательности аналита (Фиг. 11). Аналитами являлись последовательности A-228 и A-250, содержащие фрагмент промотора гена hTERT, с однонуклеотидными заменами С228Т и С250Т соответственно.As a system for detecting mutations C228T and C250T in the promoter of the hTERT gene, a construct consisting of a deoxyoligonucleotide was used, which ensures the immobilization of the probe on the sequence of silver nanoparticles (Gnus), to which the sequence with the R6G tag is associated, complementary to the analyte sequence (Fig. 11) . The sequences A-228 and A-250 containing a fragment of the hTERT gene promoter with single nucleotide substitutions С228Т and С250Т, respectively, were analytes.

Из стоковых водных растворов олигонуклеотидов GnuS-C228T-R6G, Gnus-С250Т-R6G, А-C250T и А-C228T с концентрациями 1 мM готовили рабочие водные растворы для каждого образца с концентрациями 10-8 - 10-14 М. В целях регистрации индивидуальных спектров ГКР для олигонуклеотидов GnuS-C228T-R6G и Gnus-С250Т-R6G рабочие растворы наносили на поверхность наночастиц серебра в объеме 10 мкл и регистрировали спектры ГКР после полного высыхания подложки при комнатной температуре. Для регистрации спектров систем GnuS-C228T-R6G + А-C228T и Gnus-С250Т-R6G + А-C250T (Таблица 1) предварительно смешивали компоненты до достижения итоговых концентраций растворов 10-8 - 10-14 М. После смешения выдерживали при T = 22°C ок. 10 мин, затем нагревали смесь при T = 95°C в течение 5 мин, после чего оставляли смесь охладиться до T = 22°C в течение ок. 60 мин. Затем полученный раствор наносили на поверхность наночастиц серебра в объеме 10 мкл и регистрировали спектры ГКР после полного высыхания подложки при комнатной температуре.From stock aqueous solutions of oligonucleotides GnuS-C228T-R6G, Gnus-C250T-R6G, A-C250T and A-C228T with concentrations of 1 mM, working aqueous solutions were prepared for each sample with concentrations of 10 -8 - 10 -14 M. In order to register individual SERS spectra for the GnuS-C228T-R6G and Gnus-C250T-R6G oligonucleotides were applied to the surface of silver nanoparticles in a volume of 10 μL, and the SERS spectra were recorded after the substrate had completely dried at room temperature. To record the spectra of the systems GnuS-C228T-R6G + A-C228T and Gnus-C250T-R6G + A-C250T (Table 1), the components were pre-mixed until the final concentrations of the solutions were 10 -8 - 10 -14 M. After mixing, they were kept at T = 22°C approx. 10 min, then the mixture was heated at T = 95°C for 5 min, after which the mixture was left to cool to T = 22°C for approx. 60 min. Then, the resulting solution was applied to the surface of silver nanoparticles in a volume of 10 µl, and the SERS spectra were recorded after the substrate had completely dried at room temperature.

Полученные спектры ГКР для индивидуальных растворов зондов GnuS-C250Т-R6G и GnuS-C228Т-R6G, нанесенных в объеме 10 мкл с помощью дозатора на планарную поверхность наночастиц серебра при четырех различных концентрациях, а также спектры систем зонд + аналит: GnuS-C250Т-R6G + A250 и GnuS-C228Т-R6G + A228 продемонстрировали возможность селективного детектирования мутаций C250Т и C228Т (Фиг. 12 - 15). Перед нанесением системы зонд + аналит проводилось предварительное нагревание смеси при 94°С в течение 5 мин, а после - постепенное охлаждение до комнатной температуры.Obtained SERS spectra for individual solutions of the GnuS-C250T-R6G and GnuS-C228T-R6G probes applied in a volume of 10 μl with a dispenser on the planar surface of silver nanoparticles at four different concentrations, as well as the spectra of probe + analyte systems: GnuS-C250T-R6G + A250 and GnuS-C228T-R6G + A228 demonstrated the ability to selectively detect mutations C250T and C228T (Fig. 12 - 15). Before applying the probe + analyte system, the mixture was preliminarily heated at 94°C for 5 min, and then gradually cooled to room temperature.

В случае спектров ГКР, полученных отдельно для зондов GnuS-C250Т-R6G и GnuS-C228Т-R6G, характеристические пики либо отсутствуют, либо их интенсивность находится на уровне фона. В случае использования полных разработанных индикаторных систем GnuS-C250Т-R6G + A250 и GnuS-C228Т-R6G + A250 наблюдали интенсивные пики, характерные для ГКР-метки R6G при 1380, 1470 и 1590 см-1. Спектры ГКР для предложенных детектирующих систем GnuS-C250Т-R6G + A250 и GnuS-C228Т-R6G + A250 имели неизменное положение характеристических пиков: 1383, 1470 и 1590 см-1, вне зависимости от концентрации мутаций в анализируемом образце.In the case of SERS spectra obtained separately for the GnuS-C250T-R6G and GnuS-C228T-R6G probes, characteristic peaks are either absent or their intensity is at the background level. In the case of using the complete developed indicator systems GnuS-C250T-R6G + A250 and GnuS-C228T-R6G + A250, intense peaks were observed that are characteristic of the SERS-label R6G at 1380, 1470 and 1590 cm- 1 . The SERS spectra for the proposed GnuS-C250Т-R6G + A250 and GnuS-C228Т-R6G + A250 detection systems had the same position of the characteristic peaks: 1383, 1470, and 1590 cm -1 , regardless of the concentration of mutations in the analyzed sample.

В отсутствии анализируемой молекулы свободный зонд образовывал шпильку (якорь GnuS не был вовлечен в образование шпильки), а метка находилась на близком расстоянии от поверхности. В зависимости от того, насколько близкое это расстояние и находится ли метка в горячей точке, сигнал мог как возникать, так и затухать [«Способ обнаружения и определения ДНК с заданной последовательностью методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния» Патент РФ № 2723160 от 09.06.2020 г.]. При внесении аналита в систему он взаимодействовал с комплементарной последовательностью зонда, шпилька раскрывалась, вследствие чего и наблюдалось изменение интенсивности сигнала ГКР по сравнению с ситуацией, когда метка находилась в составе шпильки. Таким образом, при раскрытии шпильки ковалентная связь с меткой сохранялась, изменялась структура ДНК, что приводило к изменению взаиморасположения метки и поверхности. В отсутствии анализируемой молекулы зонд образовывал сложную вторничную структуру (шпильки, внутримолекулярные димеры, а также внутренние G-квадруплексы) (Фиг. 16). В образование этой вторичной структуры был вовлечен 5’-конец зонда, который отвечает за иммобилизацию на поверхности наночастицы. При попытке гибридизации определяемых поврежденных последовательностей ДНК с неподходящей по последовательности меченым олигонуклеотидом: GnuS-C250Т-R6G с A228 и GnuS-C228Т-R6G с A250 аналитический сигнал методом спектроскопии ГКР зарегистрировать не удалось. Этот факт дополнительно продемонстрировал, что без эффективной иммобилизации и образования структурированных агрегатов получить существенного усиления сигнала было невозможно, полное отсутствие или низкая интенсивность сигналов для прочих фрагментов ДНК свидетельствовала о достаточной для анализа селективности методики.In the absence of the analyzed molecule, the free probe formed a hairpin (the GnuS anchor was not involved in the hairpin formation), and the label was at a close distance from the surface. Depending on how close this distance is and whether the label is located in the hot spot, the signal could both appear and fade ["Method for detecting and determining DNA with a given sequence by giant Raman spectroscopy" RF Patent No. 2723160 dated 06/09/2020 .]. When an analyte was introduced into the system, it interacted with the complementary sequence of the probe, the hairpin opened, as a result of which a change in the intensity of the SERS signal was observed compared to the situation when the label was in the hairpin. Thus, when the hairpin opened, the covalent bond with the label was preserved, and the DNA structure changed, which led to a change in the relative position of the label and the surface. In the absence of the analyzed molecule, the probe formed a complex secondary structure (hairpins, intramolecular dimers, as well as internal G-quadruplexes) (Fig. 16). The 5' end of the probe, which is responsible for immobilization on the surface of the nanoparticle, was involved in the formation of this secondary structure. When attempting to hybridize the detected damaged DNA sequences with a sequence-inappropriate labeled oligonucleotide: GnuS-C250Т-R6G with A228 and GnuS-C228Т-R6G with A250, the analytical signal could not be registered by SERS spectroscopy. This fact additionally demonstrated that without effective immobilization and the formation of structured aggregates, it was impossible to obtain a significant increase in the signal; the complete absence or low intensity of signals for other DNA fragments indicated that the method was selective enough for analysis.

Исключительно в присутствии С228Т и С250Т мутантных фрагментов ДНК происходило взаимодействие зонда с аналитом с образованием дуплекса; и 5’-конец зонда, вовлеченный в образование вторичной структуры, высвобождался, и происходила эффективная иммобилизация системы {зонд + аналит} на поверхности наночастиц, что приводит к наблюдаемому увеличению интенсивности сигнала. Созданная система позволила детектировать мутации С228Т и С250Т в промоторе гена hTERT с помощью спектроскопии ГКР, выводы о количественном содержании определяемых фрагментов обеспечило аналит-зависимое усиление сигнала ГКР. В случае нанесения на поверхность зонда GnuS-C228Т-R6G в присутствии мутации С250 взаимодействия не происходило и аналитического сигнала на спектрах ГКР не наблюдали, как и в случае с GnuS-C250Т-R6G в присутствии мутации С228, что подтвердило кросс-селективность разработанной методики. Важно, что при использовании олигонуклеотидов, меченных ГКР-меткой, отличающейся от предложенной длины, достижение необходимой чувствительности определения мутантных фрагментов ДНК не было возможным, что было показано на олигонуклетидах с зондами RnuS и PnuS (Таблица 2). Согласно рассчитанным в соответствии с химическими структурами длинами, расстояние от наноструктурированной поверхности до ГКР-метки составил 4 нм для GnuS, 5 нм для RnuS и 3 нм для PnuS. Использование красителей-меток c последовательностью Gnus из ряда родаминовых, цианиновых, ксантеновых и диазо-красителей, метиленового синего и кристаллического фиолетового, обеспечивало достижение необходимого уровня чувствительности (Таблица 2). Пробоподготовка всех образцов (до количества, которое необходимо проанализировать), заключающаяся в гибридизации определяемого фрагмента ДНК с мечеными олигонуклеотидами, занимала около 60 мин. При этом никаких дополнительных манипуляций, кроме включения/выключения термостата, от лаборанта в этот момент не требуется, поэтому целесообразно проводить эту процедуру для нескольких проб одновременно. Общее время анализа занимало не более 1 мин с достаточным временем накопления спектра - 10 с.Only in the presence of C228T and C250T mutant DNA fragments, the probe interacted with the analyte to form a duplex; and the 5'-end of the probe involved in the formation of the secondary structure was released, and the {probe + analyte} system was effectively immobilized on the surface of the nanoparticles, which leads to the observed increase in signal intensity. The created system made it possible to detect C228T and C250T mutations in the promoter of the hTERT gene using SERS spectroscopy; conclusions about the quantitative content of the detected fragments were provided by the analyte-dependent enhancement of the SERS signal. In the case of application of GnuS-C228T-R6G to the surface of the probe in the presence of the C250 mutation, no interaction occurred and no analytical signal was observed in the SERS spectra, as in the case of GnuS-C250T-R6G in the presence of the C228 mutation, which confirmed the cross-selectivity of the developed method. It is important that when using oligonucleotides labeled with a GKR tag that differs from the proposed length, it was not possible to achieve the required sensitivity for detecting mutant DNA fragments, which was shown for oligonucleotides with RnuS and PnuS probes (Table 2). According to the lengths calculated in accordance with the chemical structures, the distance from the nanostructured surface to the SERS label was 4 nm for GnuS, 5 nm for RnuS, and 3 nm for PnuS. The use of dye-labels with the Gnus sequence from a number of rhodamine, cyanine, xanthene and diazo dyes, methylene blue and crystal violet ensured the achievement of the required level of sensitivity (Table 2). Sample preparation of all samples (up to the amount that needs to be analyzed), which consisted in hybridization of the DNA fragment to be determined with labeled oligonucleotides, took about 60 min. At the same time, no additional manipulations, except for turning the thermostat on/off, are required from the laboratory assistant at this moment, so it is advisable to carry out this procedure for several samples at the same time. The total analysis time took no more than 1 min with a sufficient spectrum accumulation time of 10 s.

Воспроизводимость аналитических сигналов составляла менее 5%. Полученный ПО для мутантных фрагментов ДНК - 10-14 М, что составляет ок. 6,000 поврежденных фрагментов в 1 мкл анализируемого образца. Достигнутый ПО позволяет диагностировать рак мочевого пузыря, начиная с I стадии (при начальных стадиях опухолевого процесса: стадия Т1 или более поверхностные опухоли), когда опухоль является неинвазивной. В случае использования метки-красителя R6G, вывод о качественном составе и количественном содержании осуществляли по наличию характеристических полос: 1383, 1470 и 1590 см-1, на спектрах ГКР и интенсивности полученных сигналов по градуировочным зависимостям соответственно.The reproducibility of analytical signals was less than 5%. Received software for mutant DNA fragments - 10 -14 M, which is approx. 6,000 damaged fragments in 1 µl of the analyzed sample. The achieved software allows diagnosing bladder cancer starting from stage I (at the initial stages of the tumor process: stage T1 or more superficial tumors), when the tumor is non-invasive. In the case of using the label-dye R6G, the conclusion about the qualitative composition and quantitative content was carried out by the presence of characteristic bands: 1383, 1470 and 1590 cm -1 on the SERS spectra and the intensity of the received signals according to the calibration dependences, respectively.

Таблица 1. Определяемые последовательности нуклеиновых кислот, последовательности ГКР-меченных олигонуклеотидов и их краткие обозначенияTable 1. Determined nucleic acid sequences, sequences of GKR-labeled oligonucleotides and their short designations

Figure 00000004
Figure 00000004

Таблица 2. Метрологические характеристики (с количеством параллельных измерений n = 5 и доверительной вероятностью P = 0.95) определения мутантных последовательностей ДНК с ковалентно ГКР-меченными олигонуклеотидами комплементарных последовательностей различной длины (Параметры съемки спектров ГКР: длина волны возбуждения - 514 нм, мощность лазера - 10%, время экстинкции - 10 с)Table 2. Metrological characteristics (with the number of parallel measurements n = 5 and confidence probability P = 0.95) of determination of mutant DNA sequences with covalently SERS-labeled oligonucleotides of complementary sequences of various lengths (Parameters of recording SERS spectra: excitation wavelength - 514 nm, laser power - 10%, extinction time - 10 s)

Уравнение градуировочной зависимости
I = (a±Δa)lgc + (b±Δb)*
Calibration equation
I = (a±Δa)lgc + (b±Δb) *
ДОК, пМDOK, pM ПО, фМPO, fM rr sr (при сн)** s r (at s n ) **
Определение мутантного фрагмента ДНК: А-С228Т c меткой R6GDetermination of the mutant DNA fragment: A-C228T labeled R6G GnuS-pr-С228ТGnuS-pr-C228T I = (1.3 ± 0.2)×104lgc + (1.6 ± 0.1)×103 I = (1.3 ± 0.2)×10 4 lgc + (1.6 ± 0.1)×10 3 0.003 - 100.003 - 10 1one 0.9900.990 0.050.05 RnuS-pr-С228ТRnuS-pr-С228Т I = (2.9 ± 0.3)×101lgc + (7.6 ± 0.6)I = (2.9 ± 0.3)×10 1 logc + (7.6 ± 0.6) 1 - 1001 - 100 300300 0.9690.969 0.090.09 PnuS-pr-С228ТPnuS-pr-С228Т I = (4.0 ± 0.3)×101lgc + (4.4 ± 0.2)I = (4.0 ± 0.3)×10 1 logc + (4.4 ± 0.2) 10 - 50010 - 500 30003000 0.9810.981 0.150.15 Определение мутантного фрагмента ДНК: А-С228Т c меткой Cy5Determination of the mutant DNA fragment: A-C228T labeled with Cy5 GnuS-pr-С228ТGnuS-pr-C228T I = (6.0 ± 0.5)×103lgc + (3.2 ± 0.2)×103 I = (6.0 ± 0.5)×10 3 logc + (3.2 ± 0.2)×10 3 0.005 - 100.005 - 10 1.51.5 0.9890.989 0.050.05 Определение мутантного фрагмента ДНК: А-С250Т c меткой R6GDetermination of the mutant DNA fragment: A-C250T labeled R6G GnuS-pr-C250TGnuS-pr-C250T I = (4.9 ± 0.6)×104lgc + (1.8 ± 0.3)×103 I = (4.9 ± 0.6)×10 4 lgc + (1.8 ± 0.3)×10 3 0.003 - 100.003 - 10 1one 0.9900.990 0.040.04 RnuS-pr-C250TRnuS-pr-C250T I = (3.9 ± 0.4)×101lgc + (6.6 ± 0.3)I = (3.9 ± 0.4)×10 1 logc + (6.6 ± 0.3) 1 - 10001 - 1000 300300 0.9740.974 0.100.10 PnuS-pr-C250TPnuS-pr-C250T I = (5.9 ± 0.3)×101lgc + (1.3 ± 0.1)I = (5.9 ± 0.3)×10 1 logc + (1.3 ± 0.1) 20 - 10020 - 100 600600 0.9800.980 0.130.13 Определение мутантного фрагмента ДНК: А-С250Т c меткой кристаллический фиолетовыйDetermination of the mutant DNA fragment: A-C250T labeled crystal violet GnuS-pr-C250TGnuS-pr-C250T I = (5.2 ± 0.5)×104lgc + (2.4 ± 0.4)×103 I = (5.2 ± 0.5)×10 4 lgc + (2.4 ± 0.4)×10 3 0.003 - 100.003 - 10 1one 0.9880.988 0.050.05

* - вид зависимости интенсивности аналитического сигнала при характеристическом рамановском сдвиге от концентрации определяемой ДНК (моль/л); * - type of dependence of the intensity of the analytical signal at the characteristic Raman shift on the concentration of the determined DNA (mol/l);

** - стандартное относительное отклонение для измерений при минимальной концентрации (cн) из диапазона определяемых содержаний. ** - standard relative deviation for measurements at the minimum concentration (c n ) from the range of determined contents.

Пример 2. Валидация результатов определения мутаций C228T и C250T методом спектроскопии ГКР с помощью метода цкПЦРExample 2 Validation of C228T and C250T Mutation Results by SERS Spectroscopy Using the ccPCR Method

Поскольку процедуры клинической диагностики заболеваний должны выполняться согласно определенным стандартам, необходимо проводить предварительную оценку диагностических методов: определять их аналитическую чувствительность и другие характеристики. Определение возможностей самого метода на клинических образцах или на клеточных линиях не дает в полной мере достоверных результатов, так как опухолевые образцы по своей природе неоднородны, а клеточные линии содержат не 100% мутантной аллельной фракции. Поэтому для внедрения цкПЦР или предложенной методики на основе ГКР-спектроскопии в клиническую практику необходимо создание единой стандартной аналитической системы для сравнения и валидации результатов, полученных различными лабораторными методами в различных лабораторных условиях.Since the procedures for clinical diagnosis of diseases must be performed according to certain standards, it is necessary to conduct a preliminary assessment of diagnostic methods: determine their analytical sensitivity and other characteristics. Determining the capabilities of the method itself on clinical specimens or on cell lines does not give fully reliable results, since tumor samples are inherently heterogeneous, and cell lines do not contain 100% of the mutant allelic fraction. Therefore, in order to introduce ccPCR or the proposed technique based on SERS spectroscopy into clinical practice, it is necessary to create a unified standard analytical system for comparing and validating the results obtained by various laboratory methods in various laboratory conditions.

В качестве доклинических испытаний, наиболее приближенным к клиническим, получили модельные референсные конструкции путем клонирования фрагментов генома человека и внесения определяемых мутаций: С228Т и С250Т.Model reference constructs were obtained as preclinical trials closest to clinical trials by cloning fragments of the human genome and introducing detectable mutations: C228T and C250T.

Клонирование. Были получены четыре плазмиды, содержащие все необходимые вставки:Cloning. Four plasmids were obtained containing all the necessary inserts:

1. дикого типа (pUC19_235_wt),1. wild type (pUC19_235_wt),

2. с мутацией С228Т (pUC19_235_C228Т),2. with the C228T mutation (pUC19_235_C228T),

3. с мутацией С250Т(pUC19_235_С250Т),3. with the C250T mutation (pUC19_235_C250T),

4. одновременно с обеими мутациями С228Т и С250Т (pUC19_235_С228Т+С250Т).4. simultaneously with both mutations С228Т and С250Т (pUC19_235_С228Т+С250Т).

Для получения вставок дикого типа в качестве матрицы для ПЦР использовали Human Genomic DNA 11691112001 Roche, а для вставок с мутацией С228T в положении -146 использовали ДНК клеточной линии HepG2 (содержание мутантной ДНК 70%), для вставок с мутацией С250Т в положении -126 использовали ДНК клеточной линии А375. (Фиг. 1). Клонируемые вставки представляли собой GC-богатые фрагменты (77% GC для фрагмента 235 п.о.), поэтому их амплификация была затруднена из-за сложной вторичной структуры (предположительно образование G-квадруплексов). Для амплификации фрагмента дикого типа с геномной ДНК человека в реакционную смесь добавляли 7-деаза-2’-дезоксигуанозин-5’-трифосфат (7-deaza-dGTP) до финальной концентрации 200 мкМ (Фиг. 2, А). Продукт ПЦР нужной длины очищали с помощью разделения методом гель-электрофореза и выделения из агарозного геля.To obtain wild-type inserts, Human Genomic DNA 11691112001 Roche was used as a template for PCR, and for inserts with the C228T mutation at position -146, DNA of the HepG2 cell line (70% mutant DNA content) was used, for inserts with the C250T mutation at position -126, DNA of the cell line A375. (Fig. 1). The cloned inserts were GC-rich fragments (77% GC for the 235 bp fragment), so their amplification was difficult due to the complex secondary structure (presumably the formation of G-quadruplexes). To amplify the wild-type fragment with human genomic DNA, 7-deaza-2'-deoxyguanosine-5'-triphosphate (7-deaza-dGTP) was added to the reaction mixture to a final concentration of 200 μM (Fig. 2, A). The PCR product of the correct length was purified by gel electrophoresis separation and agarose gel isolation.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР). Для амплификации фрагментов дикого типа и фрагмента с мутацией С228Т составляли следующую ПЦР-смесь:Polymerase chain reaction (PCR). To amplify the wild-type fragments and the fragment with the C228T mutation, the following PCR mixture was composed:

2x Maxima Hot Start PCR Master mix2x Maxima Hot Start PCR Master mix 25 мкл25 µl Матричная ДНК (геномная)Matrix DNA (genomic) 1 мкг1 mcg

TERT_235_fw_KpnITERT_235_fw_KpnI 0.5 мкМ0.5 µM

TERT_235_rev_HindIIITERT_235_rev_HindIII 0.5 мкМ0.5 µM

7-deaza-dGTP7-deaza-dGTP 0.05 мкМ0.05 µM

H2ОH 2 O до общего объема 50 мклup to a total volume of 50 µl

Тщательно перемешивали и помещали в прибор для проведения ПЦР T100 PCR Thermal Cycler фирмы Bio Rad. Параметры амплификации: 95°C в течение 4 мин - 1 цикл; 95°C - 30 с, 58°C - 20 c, 72°C - 30 c - 39 циклов; 72°C в тчение 5 мин - 1 цикл.Mix thoroughly and place in a Bio Rad T100 PCR Thermal Cycler. Amplification parameters: 95°C for 4 min - 1 cycle; 95°C - 30 s, 58°C - 20 s, 72°C - 30 s - 39 cycles; 72°C for 5 min - 1 cycle.

Амплификация фрагмента c генома клеточных линий HepG2 и A375 проходила с использованием Q5 ДНК-полимеразы (New England Biolabs). Состав реакционных смесей:Amplification of fragment c of the genome of cell lines HepG2 and A375 was carried out using Q5 DNA polymerase (New England Biolabs). The composition of the reaction mixtures:

5x Q5 GC-буфер5x Q5 GC buffer 10 мкл10 µl Смесь dNTPdNTP blend по 0.2 мМ каждого0.2 mM each TERT_235_fw_KpnITERT_235_fw_KpnI 0.5 мкМ0.5 µM TERT_235_rev_HindIIITERT_235_rev_HindIII 0.5 мкМ0.5 µM Матричная ДНК (А375 или HepG2)Matrix DNA (A375 or HepG2) 0.2 мкг0.2 µg Q5 полимераза (2ед./мкл)Q5 polymerase (2u/µl) 0.5 мкл0.5 µl 5x Q5 GC-энхансер5x Q5 GC enhancer 10 мкл10 µl H2ОH 2 O до общего объема 50 мклup to a total volume of 50 µl

Параметры амплификации: 98°C в течение 30 с - 1 цикл; 98°C - 7 с, 68°C - 15 c, 72°C - 10 c - 35 циклов; 72°C в течение 2 мин - 1 цикл.Amplification parameters: 98°C for 30 s - 1 cycle; 98°C - 7 s, 68°C - 15 s, 72°C - 10 s - 35 cycles; 72°C for 2 min - 1 cycle.

В случае использования в качестве матриц для амплификации клонируемого фрагмента ДНК клеточных линий HepG2 и A375 подход с добавлением 7-deaza-dGTP не был успешен и не удавалось получить количественно ПЦР-продукт даже в случае проведения двухэтапного ПЦР. Для решения этой задачи была использована Q5 полимераза, точность которой более чем в 100 раз выше, чем у с Taq полимеразы, в буфере для амплификации GC-богатой матрицы с добавлением энхансера. Обычно в состав GC-энхансеров входят такие соединения, как ДМСО и глицерин, которые способствуют нарушению сложной вторичной структуры и увеличивают эффективность амплификации (Фиг. 2, Б).In the case of using HepG2 and A375 cell lines as templates for amplification of the cloned DNA fragment, the approach with the addition of 7-deaza-dGTP was not successful and it was not possible to obtain a quantitative PCR product even in the case of two-stage PCR. To solve this problem, Q5 polymerase, whose accuracy is more than 100 times higher than that of c Taq polymerase, was used in a GC-rich template amplification buffer with the addition of an enhancer. Typically, GC enhancers include compounds such as DMSO and glycerol, which contribute to the disruption of a complex secondary structure and increase the efficiency of amplification (Fig. 2, B).

Полученные ПЦР-продукты обработали эндонуклеазами рестрикции HindIII и KpnI, и легировали по липким концам с плазмидой pUC19 (Фиг. 3), линеаризованной с помощью тех же эндонуклеаз рестрикции. Полученную лигазную смесь трансформировали в компетентные клетки JM109 E.coli и высевали на чашку Петри с 5-бром-4-хлор-3-индолил-бета-D-галактопиранозидом (X-gal) и изопропил-бета-галактопиранозидом (ИПТГ) для бело-голубой селекции. На следующий день высевали ночные культуры из белых колоний. Из ночных культур выделяли плазмиду и после проведения рестриктного анализа с помощью эндонуклеазы рестрикции PvuII, подтверждавшего наличие вставки, секвенировали вставку методом Сэнгера (Фиг. 4).The resulting PCR products were digested with restriction endonucleases HindIII and KpnI and ligated at the sticky ends with the plasmid pUC19 (Fig. 3) linearized with the same restriction endonucleases. The resulting ligation mixture was transformed into competent E. coli JM109 cells and seeded on a Petri dish with 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-beta-D-galactopyranoside (X-gal) and isopropyl-beta-galactopyranoside (IPTG) for white - blue selection. The next day, night cultures were sown from the white colonies. A plasmid was isolated from overnight cultures, and after restriction analysis with PvuII restriction endonuclease confirmed the presence of the insert, the insert was sequenced by the Sanger method (FIG. 4).

Разделение фрагментов ДНК в агарозном геле, выделение с геля. После проведения ПЦР проводили очистку полученных ПЦР-продуктов в 1.2% агарозном геле. Для приготовления агарозного геля добавляли 1.0 г легкоплавкой агарозы к 100 мл раствора 1xTBE. Визуализацию полос обеспечивали за счет добавления в агарозу 2.5 мкл флуоресцентного красителя SybrGreen I (10000x). Напряжение составляло ~100 - 150 В. Разделение фрагментов ДНК контролировали с помощью камеры с ультрафиолетовой лампой.Separation of DNA fragments in agarose gel, isolation from the gel. After PCR, the obtained PCR products were purified in 1.2% agarose gel. To prepare an agarose gel, 1.0 g of low-melting agarose was added to 100 ml of a 1xTBE solution. The bands were visualized by adding 2.5 μl of the fluorescent dye SybrGreen I (10000x) to the agarose. The voltage was ~100 - 150 V. The separation of DNA fragments was controlled using a camera with an ultraviolet lamp.

Выделение ДНК из агарозного геля проводили с помощью набора реагентов «Cleanup mini» компании «Евроген». Из геля вырезали нужную полосу, визуализированную SybrGreen I, и помещали ее в пробирку. К гелю добавляли 3-хкратный объем «Связывающего буфера» (из расчета, что 100 мкг геля имеет объем 100 мкл), инкубировали при 55°C до полного растворения геля. Полученный раствор переносили в колонку для связывания ДНК, колонку ставили в собирательную пробирку. Собирательную пробирку с колонкой центрифугировали при максимальных оборотах в настольной центрифуге в течение 30 с (все дальнейшие центрифугирования проводили при максимальных оборотах). Проскок выливали, добавляли в колонку 700 мкл промывочного раствора и центрифугировали 30 с. Проскок выливали и центрифугировали колонку в течение 1 мин. После этого помещали колонку в новую пробирку, добавляли 30 мкл элюирующего буфера и центрифугировали 30 с. Полученную ДНК хранили при температуре -20°C.DNA isolation from the agarose gel was performed using the Cleanup mini reagent kit from Evrogen. The desired band, visualized by SybrGreen I, was cut from the gel and placed in a test tube. A 3-fold volume of "Binding Buffer" was added to the gel (assuming that 100 μg of gel has a volume of 100 μl), incubated at 55°C until complete dissolution of the gel. The resulting solution was transferred to a DNA binding column, and the column was placed in a collection tube. The collection tube with the column was centrifuged at maximum speed in a tabletop centrifuge for 30 s (all further centrifugations were performed at maximum speed). The slip was poured out, 700 µl of wash solution was added to the column and centrifuged for 30 s. The slip was discarded and the column was centrifuged for 1 min. After that, the column was placed in a new tube, 30 µl of elution buffer was added, and centrifuged for 30 s. The resulting DNA was stored at -20°C.

Приготовление векторов и вставок. Перед легированием вектор и вставки обрабатывались эндонуклеазами рестрикции FastDigest KpnI и FastDigest HindIII, «Thermo Scientific».Cooking vectors and inserts. Before ligation, the vector and inserts were treated with FastDigest KpnI and FastDigest HindIII restriction endonucleases, Thermo Scientific.

10x FastDigest buffer10x Fast Digest buffer 2 мкл2 µl

плазмидная ДНК/ПЦР-фрагментplasmid DNA/PCR fragment 1 мкг/200нг1 mcg/200ng рестриктаза KpnIrestrictase KpnI 1 мкл1 µl рестриктаза HindIIIrestriction enzyme HindIII 1 мкл1 µl H2ОH 2 O до общего объема 20 мклup to a total volume of 20 µl

Смешивали все необходимые компоненты реакции и инкубировали в течение 1 ч при 37°C. После этого ферменты инактивировали нагреванием при 80°C в течение 10 мин. После этого рестриктную смесь с плазмидной ДНК наносили на агарозный гель и выделяли нужный фрагмент с геля, описанным выше способом.All necessary reaction components were mixed and incubated for 1 h at 37°C. After that, the enzymes were inactivated by heating at 80°C for 10 min. After that, the restriction mixture with plasmid DNA was applied to an agarose gel and the desired fragment was isolated from the gel as described above.

Лигирование. Лигирование проводили с помощью T4 DNA ligase («Thermo Scientific»). К 10-икратному T4 DNA ligase buffer добавляли 50 - 100 нг линеаризованной плазмиды и вставку в молярном соотношении с плазмидой 5:1, T4 ДНК лигазу до концентрации 0.05 ед./мкл, нужное количество воды. Лигазную смесь оставляли на ночь при температуре +4°C.Ligation. Ligation was performed using T4 DNA ligase (Thermo Scientific). To 10-fold T4 DNA ligase buffer was added 50 - 100 ng of linearized plasmid and insert in a molar ratio with the plasmid 5:1, T4 DNA ligase to a concentration of 0.05 units/µl, the required amount of water. The ligation mixture was left overnight at +4°C.

Получение компетентных клеток E.coli и их трансформация. 250 мл среды LB инокулировали свежей колонией клеток и растили культуру при 18°C и умеренном перемешивании до A600 ~0.4. Клетки охлаждали во льду и собирали центрифугированием при 5000 об/мин 10 мин при 4°C в роторе JA-14 (Beckman). После этого клетки дважды промывали буфером TB. Для этого осадок клеток ресуспендировали в 30 мл охлажденного TB буфера, инкубировали при слабом перемешивании во льду в течение 10 мин и центрифугировали при 5000 об/мин 10 мин при 4°C. После последнего центрифугирования клетки снова ресуспендировали в буфере TB, добавляли ДМСО до 3.5% и затем - до конечной концентрации 7% с 10-иминутным интервалом при 0°C при слабом перемешивании. Аликвоты суспензии клеток по 100 мкл замораживали в жидком азоте и хранили при температуре -80°C.Obtaining competent E. coli cells and their transformation. 250 ml of LB medium was inoculated with a fresh cell colony and the culture was grown at 18°C with moderate stirring to A600 ~0.4. Cells were cooled in ice and harvested by centrifugation at 5000 rpm for 10 min at 4°C in a JA-14 rotor (Beckman). After that, the cells were washed twice with TB buffer. To do this, the cell pellet was resuspended in 30 ml of chilled TB buffer, incubated with gentle stirring in ice for 10 min, and centrifuged at 5000 rpm for 10 min at 4°C. After the last centrifugation, the cells were resuspended in TB buffer, DMSO was added to 3.5% and then to a final concentration of 7% at 10 min intervals at 0°C with gentle agitation. Aliquots of the cell suspension, 100 µl each, were frozen in liquid nitrogen and stored at -80°C.

Для трансформации суспензию компетентных клеток размораживали на льду, добавляли 20 - 50 нг плазмиды или 5 - 10 мкл лигазной смеси, выдерживали на льду 20 мин. Смесь помещали в термостат, нагретый до 42°C, выдерживали в течение 40 - 50 с, после этого добавляли 300 мкл среды LB и инкубировали в течение 1 ч при 37°C. Половину клеток высевали на чашку Петри с твердой средой LB, содержавшей ампициллин. Инкубировали при 37°C в течение 16 ч. Выбор колоний со вставкой проводили с помощью бело-голубой селекции.For transformation, the suspension of competent cells was thawed on ice, 20–50 ng of the plasmid or 5–10 µl of the ligation mixture were added, and kept on ice for 20 min. The mixture was placed in a thermostat heated to 42°C, kept for 40 - 50 s, then 300 μl of LB medium was added and incubated for 1 h at 37°C. Half of the cells were seeded on a Petri dish with LB solid medium containing ampicillin. Incubated at 37°C for 16 hours Selection of colonies with an insert was carried out using blue-white selection.

Выделение плазмидной ДНК. Плазмиды из ночной культуры выделяли с помощью набора реагентов Plasmid Miniprep фирмы Евроген из E. coli. Для этого растили 2 - 5 мл ночной культуры с одной колонии, клетки осаждали в течение 2 мин при 8000g в настольной микроцентрифуге. Отбирали среду, клетки ресуспендировали в 250 мкл «Ресуспендирующего раствора», добавляли 250 мкл «Лизирующего раствора» и осторожно перемешивали, пока лизат не становился прозрачным. Добавляли 350 мкл «Нейтрализующего раствора», перемешивали, инкубировали в течение 1 мин. От дебриса избавлялись центрифугированием при максимальных оборотах 10 мин в настольной микроцентрифуге (дальнейшие центрифугирования выполняли при максимальных оборотах). Супернатант перемещали в колонку в собирательной пробирке и центрифугировали в течение 30 с. Удаляли фильтрат из собирательной пробирки. Делали две промывки по 300 мкл «Промывочного раствора» с центрифугированием колонки по 30 с. После последней промывки центрифугировали пустую колонку в течение 1 мин. После этого колонку переносили в новую пробирку, добавляли 50 мкл «Элюирующего раствора», инкубировали при комнатной температуре в течение 1 мин и центрифугировали в течение 1 мин. Полученные плазмиды хранили при температуре -20°C.Isolation of plasmid DNA. Plasmids from the overnight culture were isolated using the Evrogen Plasmid Miniprep reagent kit from E. coli. To do this, 2–5 ml of overnight culture was grown from one colony, the cells were precipitated for 2 min at 8000g in a table top microcentrifuge. The medium was taken, the cells were resuspended in 250 µl of "Resuspending Solution", 250 µl of "Lysing Solution" was added and gently mixed until the lysate became clear. 350 µl of "Neutralizing solution" was added, mixed, incubated for 1 min. Debris was removed by centrifugation at a maximum speed of 10 min in a tabletop microcentrifuge (further centrifugations were performed at maximum speed). The supernatant was transferred to the column in a collection tube and centrifuged for 30 s. The filtrate was removed from the collection tube. Two washings of 300 µl of the “Washing solution” were performed with column centrifugation for 30 s. After the last wash, the empty column was centrifuged for 1 min. After that, the column was transferred to a new test tube, 50 μl of the "Elution solution" was added, incubated at room temperature for 1 min, and centrifuged for 1 min. The resulting plasmids were stored at -20°C.

Рестриктный анализ. Для подтверждения наличия вставки проводился рестриктный анализ плазмид с использованием рестриктазы FastDigest PvuII, «Thermo Scientific». Для рестрикции брали 200 нг плазмиды, 2 мкл 10× буфера FastDigest Green и 5 ед. активности фермента на 20 мкл реакции. Инкубировали при 37°C в течение 1 ч. Продукты анализировали в 1.2 масс.% агарозном геле.Restrictive analysis. To confirm the presence of the insert, restrictive analysis of plasmids was carried out using FastDigest PvuII restrictase, Thermo Scientific. For restriction, 200 ng of plasmid, 2 µl of 10× FastDigest Green buffer, and 5 units of enzyme activity per 20 µl reaction. Incubated at 37°C for 1 h. The products were analyzed in 1.2 wt.% agarose gel.

Сайт-направленный мутагенез. Для направленного мутагенеза проводили ПЦР-амплификацию полученной плазмиды pUC19_235_C228Т с использованием полимераз Pfu DNA Polymerase и DreamTaq DNA Polymerase, «Thermo Scientific».Site directed mutagenesis. For site-directed mutagenesis, PCR amplification of the resulting plasmid pUC19_235_C228T was performed using Pfu DNA Polymerase and DreamTaq DNA Polymerase, Thermo Scientific.

В пробирке емкостью 0.2 мл составляли следующую ПЦР-смесь:In a test tube with a capacity of 0.2 ml, the following PCR mixture was composed:

10X Pfu буфер с MgSO4 10X Pfu buffer with MgSO 4 2.5 мкл2.5 µl Смесь dNTPdNTP blend по 0.2 мМ каждого0.2 mM each праймер 1primer 1 20 пмоль20 pmol праймер 2primer 2 20 пмоль20 pmol плазмидная ДНКplasmid DNA 50 нг50 ng полимеразы Taq:Pfu (5:1) (2.5 ед/мкл)polymerase Taq:Pfu (5:1) (2.5 u/µl) 1 мкл1 µl DMSO 100%DMSO 100% 1.25 мкл1.25 µl H2ОH 2 O до общего объема 25 мклup to a total volume of 25 µl

Параметры амплификации: 95°C в течение 30 с - 1 цикл; 95°C - 50 с, 65°C - 50 c, 68°C - 4мин - 18 циклов; 68°C в течение 7 мин - 1 цикл.Amplification parameters: 95°C for 30 s - 1 cycle; 95°C - 50 s, 65°C - 50 s, 68°C - 4min - 18 cycles; 68°C for 7 min - 1 cycle.

После ПЦР в реакционную смесь вносили 0.5 мкл DpnI (10 U/μl, Thermo Scientific) и инкубировали при 37°C в течение 16 ч. Инактивировали фермент при 80°C 20 мин. Далее трансформировали компетентные клетки E.coli 10 мкл реакционной смеси и высевали на чашку Петри. Белые колонии пересевали в жидкую среду, выделяли из клеток плазмиды и проверяли наличие вставки с помощью секвенирования методом Сэнгера.After PCR, 0.5 μl of DpnI (10 U/μl, Thermo Scientific) was added to the reaction mixture and incubated at 37°C for 16 h. The enzyme was inactivated at 80°C for 20 min. Next, competent E. coli cells were transformed with 10 μl of the reaction mixture and seeded on a Petri dish. White colonies were subcultured into liquid medium, plasmids were isolated from the cells, and the presence of the insert was checked using Sanger sequencing.

Определение первичной структуры плазмидной ДНК. Нуклеотидные последовательности при создании и использовании генно-инженерных конструкций определяли с помощью автоматического секвенатора ABI prism 3100-Avant genetic Analyzer (4-х капиллярный).Determination of the primary structure of plasmid DNA. Nucleotide sequences during the creation and use of genetically engineered constructs were determined using an automatic sequencer ABI prism 3100-Avant genetic Analyzer (4-capillary).

ПЦР в реальном времени. ПЦР в реальном времени проводилось с использованием Maxima hot start PCR Master mix, «Thermo Scientific». 2xPCR Master mix добавляли праймеры до концентрации 0.9 мкМ, 5 - 50 нг матрицы, 7-deaza-dGTP, флуоресцентные зонды до концентрации 250 нМ и доводили до нужного объема. Температура отжига и параметры амплификации варьировались в зависимости от эксперимента, время элонгации рассчитывали при условии, что Taq полимераза синтезирует ДНК со скоростью 1000 нуклеотидов в минуту.PCR in real time. Real-time PCR was performed using Maxima hot start PCR Master mix, Thermo Scientific. 2xPCR Master mix primers were added to a concentration of 0.9 μM, 5 - 50 ng of the template, 7-deaza-dGTP, fluorescent probes to a concentration of 250 nM and adjusted to the desired volume. The annealing temperature and amplification parameters varied depending on the experiment, the elongation time was calculated under the condition that Taq polymerase synthesizes DNA at a rate of 1000 nucleotides per minute.

Цифровая капельная ПЦР. Для постановки цкПЦР готовили следующую реакционную смесь, объемом 22 мкл:Digital drip PCR. For staging ccPCR, the following reaction mixture was prepared, with a volume of 22 µl:

2x ddPCR Supermix (no dUTP)2x ddPCR Supermix (no dUTP) 11 мкл11 µl проба 1sample 1 250 нМ250 nM проба 2sample 2 250 нМ250 nM праймер 1primer 1 900 нМ900 nM праймер 2primer 2 900 нМ900 nM матричная ДНК (плазмиды)template DNA (plasmids) переменное кол-воvariable quantity

7-deaza-dGTP7-deaza-dGTP 2 мкМ2 µM

Н2ОH 2 O до общего объема 22 мклup to a total volume of 22 µl

ПЦР-амплификация для обнаружения мутаций С228Т и С250Т происходила отдельно, параметры амплификации: 95°C в течение 10 мин; 40 циклов 94°C - 30 с, скорость изменения температуры 2.5°C/сек., 54°C для C228T (64°C для C250T) в течение 30 с; 98°C - 10 мин, затем хранение при температуре 12°C после завершения амплификации. До регистрации флуоресцентного сигнала плашку с ПЦР-продуктом хранили не более недели при температуре +4°C.PCR amplification for the detection of C228T and C250T mutations occurred separately, amplification parameters: 95°C for 10 min; 40 cycles 94°C - 30 s, temperature change rate 2.5°C/s, 54°C for C228T (64°C for C250T) for 30 s; 98°C - 10 min, then storage at 12°C after completion of amplification. Before registration of the fluorescent signal, the plate with the PCR product was stored for no more than a week at a temperature of +4°C.

Генерация капель осуществлялась с помощью автоматического генератора QX200, Biorad. Интенсивность флуоресценции в каждой капле измеряли с помощью QX200 Droplet reader, Biorad. Анализ результатов проводили на программном обеспечении QuantaSoftTM Analysis Pro 1.0.596 software, Biorad.Droplets were generated using an automatic generator QX200, Biorad. The fluorescence intensity in each drop was measured using a QX200 Droplet reader, Biorad. The results were analyzed using QuantaSoftTM Analysis Pro 1.0.596 software, Biorad.

Согласно принципиальной схеме обнаружения мутаций (Фиг. 5) для детектирования каждой из мутаций использовали 2 пары флуоресцентных зондов: одна пара зондов с меткой родамин 6Ж (R6G) (Фиг. 6) к смысловой и матричной цепи дикого типа (TERT_250_wt_prb1, TERT_250_wt_prb2 для дикого типа в положении С250Т, TERT_228_wt_prb1, TERT_228_wt_prb2 для дикого типа в положении С228Т), вторая пара зондов с меткой флуоресцеин (FAM) к смысловой и матричной цепи мутантного типа (TERT_250_mut_prb1 и TERT_250_mut_prb2 на мутацию С250Т и TERT_228_mut_prb1 и TERT_228_mut_prb2 на мутацию С228Т). Вначале ПЦР температуру увеличивали для того, чтобы двойная спираль ДНК денатурировала. В этот момент сигнал от флуоресцентного красителя на 5’-конце зонда гасился нефлуоресцентным гасителем, расположенным на 3’-конце пробы. На следующем этапе температура снижалась, позволяя праймерам и зондам образовывать дуплексы с целевой последовательностью. Taq-полимераза синтезировала комплементарную ДНК на денатурировавшей цепи. Когда полимераза достигала зонда, она расщепляла зонд за счет своей 5’ → 3’ экзонуклеазной активности, отделяя флуорофор от гасителя. С каждым циклом ПЦР высвобождалось все больше молекул флуорофора, что приводило к возрастанию интенсивности флуоресценции, пропорциональной количеству молекул синтезируемого ампликона. Использовали рекомендованный размер ампликона 60 - 200 п.о. (65 п.о. для С228Т и 92 п.о. для C250Т), выбирали участок для амплификации с 40-60% содержанием GC-пар и избегали регионов со сложной вторичной структурой. Поскольку содержание GC-пар в получаемых ампликонах 77-80% (Фиг. 7), для эффективной работы полимераз в реакционную смесь добавляли GC-энхансеров, нарушающие вторичную структуру и способствующие нормальному разделению цепей ДНК. Для этих целей использовали 7-deaza-dGTP, который может включаться в состав синтезируемой цепи ДНК-полимеразами. Поскольку в седьмом положении цикла в 7-deaza-dGTP отсутствует атом азота, включение 7-deaza-dGTP в состав ДНК препятствовало образованию G-квадруплексов в GC-богатых участках. На Фигуре 8 представлен результат анализа системы, состоящей из плазмиды pUC19_235_wt дикого типа в количестве 5000 копий на 20 мкл реакционной смеси, и плазмиды pUC19_235_C228Т в количестве 1250 копий на 20 мкл реакционной смеси. Анализ результатов эксперимента проводился с помощью программного обеспечения QuantaSoftTM analysis pro. Пороговое значение для канала 1 (мутантная проба С228Т), составило 4000. Для канала 2 (проба дикого типа С228Т) пороговое значение находилось на уровне 2500. Область с синими точками представляет собой капли с плазмидами мутантного типа, область с зелеными точками - капли с плазмидами дикого типа, область с оранжевыми точками - капли, содержащие плазмиды обоих типов (Фиг. 8).According to the concept of mutation detection (Fig. 5), 2 pairs of fluorescent probes were used to detect each of the mutations: one pair of probes labeled with rhodamine 6G (R6G) (Fig. 6) to the wild-type sense and template strand (TERT_250_wt_prb1, TERT_250_wt_prb2 for wild-type at position S250T, TERT_228_wt_prb1, TERT_228_wt_prb2 wild type at position S228T), the second pair of probes labeled with fluorescein (FAM) to the sense and the template strand of the mutant-type (TERT_250_mut_prb1 and TERT_250_mut_prb2 on S250T mutation and TERT_228_mut_prb1 and TERT_228_mut_prb2 on S228T mutation). At the beginning of the PCR, the temperature was increased in order for the DNA double helix to denature. At this point, the signal from the fluorescent dye at the 5' end of the probe was quenched by the non-fluorescent quencher located at the 3' end of the probe. In the next step, the temperature was lowered, allowing the primers and probes to form duplexes with the target sequence. Taq polymerase synthesized complementary DNA on the denatured strand. When the polymerase reached the probe, it cleaved the probe with its 5' → 3' exonuclease activity, separating the fluorophore from the quencher. With each PCR cycle, more and more fluorophore molecules were released, which led to an increase in the fluorescence intensity proportional to the number of molecules of the synthesized amplicon. The recommended amplicon size of 60-200 bp was used. (65 bp for C228T and 92 bp for C250T), a region for amplification with 40-60% content of GC-pairs was chosen and regions with a complex secondary structure were avoided. Since the content of GC-pairs in the resulting amplicons is 77–80% (Fig. 7), GC-enhancers were added to the reaction mixture for the efficient operation of polymerases, which disrupt the secondary structure and promote normal separation of DNA strands. For these purposes, we used 7-deaza-dGTP, which can be included in the synthesized chain by DNA polymerases. Since there is no nitrogen atom in the seventh position of the cycle in 7-deaza-dGTP, the inclusion of 7-deaza-dGTP in DNA prevented the formation of G-quadruplexes in GC-rich regions. Figure 8 shows the result of the analysis of a system consisting of plasmid pUC19_235_wt wild type in the amount of 5000 copies per 20 μl of the reaction mixture, and plasmid pUC19_235_C228T in the amount of 1250 copies per 20 μl of the reaction mixture. The analysis of the experimental results was carried out using the QuantaSoftTM analysis pro software. The cut-off value for channel 1 (C228T mutant probe) was 4000. For channel 2 (wild-type probe C228T), the cut-off value was 2500. The area with blue dots represents the droplets with mutant-type plasmids, the area with green dots is the droplets with plasmids wild-type, the area with orange dots - drops containing plasmids of both types (Fig. 8).

При оптимизации системы обнаружения мутации С228Т, состоящей из плазмид pUC19_235_C228Т и pUC19_235_wt, максимальное разрешение между кластерами достигалось при температуре 54°С. При этой температуре при 100% содержании в системе лишь плазмиды дикого типа в количестве 2500 положительных капель не наблюдается ложноположительных результатов (капель) в FAM-канале. Таким образом, подобранные условия обеспечивают 100% селективность обнаружения при условии отсутствия контаминации анализируемой смеси последовательностями мутантного типа. Далее был проведен анализ систем, содержащих плазмиду с мутацией С228Т на фоне избытка плазмиды дикого типа, концентрация которой постоянна и составляет 5000 копий на 20 мкл реакционной смеси. (Фиг. 9). Делая поправку на специфичность и контрольный образец, чувствительность составила 2%.When optimizing the C228T mutation detection system, consisting of pUC19_235_C228T and pUC19_235_wt plasmids, the maximum resolution between clusters was achieved at a temperature of 54°C. At this temperature, at 100% content in the system of only wild-type plasmids in the amount of 2500 positive drops, there are no false positive results (drops) in the FAM channel. Thus, the selected conditions provide 100% detection selectivity provided that the analyzed mixture is not contaminated with mutant-type sequences. Next, we analyzed the systems containing the plasmid with the C228T mutation against the background of an excess of the wild-type plasmid, the concentration of which is constant and amounts to 5000 copies per 20 μl of the reaction mixture. (Fig. 9). Adjusting for specificity and control, the sensitivity was 2%.

Подобранные условия (температурный режим, концентрация 7-deaza-dGTP, флуоресцентные TaqMan зонды и праймеры) проведения цифровой капельной ПЦР, позволили достичь селективного обнаружения последовательности промотора гена hTERT с мутациями С228Т и C250T, что было необходимо для валидации результатов, полученных методом спектроскопии ГКР. Однако ГКР-спектроскопия позволяет достичь более низких пределов обнаружения и наиболее важно, что использование этого метода не требует предварительной энзиматической амплификации мишени.The selected conditions (temperature regime, 7-deaza-dGTP concentration, fluorescent TaqMan probes and primers) for digital droplet PCR made it possible to achieve selective detection of the hTERT gene promoter sequence with C228T and C250T mutations, which was necessary to validate the results obtained by SERS spectroscopy. However, SERS spectroscopy makes it possible to achieve lower detection limits, and most importantly, the use of this method does not require preliminary enzymatic amplification of the target.

--->--->

ПЕРЕЧЕНЬ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙSEQUENCE LIST

<110> Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение<110> Federal state budgetary educational institution

высшего профессионального образования "Московский государственный higher professional education "Moscow State

университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) University named after M.V. Lomonosov "(MSU)

<120> Набор для диагностики рака мочевого пузыря с помощью мутаций С228Т<120> Kit for diagnosing bladder cancer using C228T mutations

и C250T в промоторе гена HTERT и способ ее осуществления and C250T in the promoter of the HTERT gene and method for its implementation

<160> SEQ ID NО:1<160> SEQ ID NO:1

<210> 1<210> 1

<211> 19<211> 19

<212> GnuS<212> GnuS

<213> Artificial sequence<213> Artificial sequence

<400> 1<400> 1

1 TGCCTTTTGG GGACGGATA1 TGCCTTTTGG GGACGGATA

<160> SEQ ID NО:2<160> SEQ ID NO:2

<210> 2<210> 2

<211> 20<211> 20

<212> GnuS<212> GnuS

<213> Artificial sequence<213> Artificial sequence

<400> 2<400> 2

1 AATGATCTTA ACCAAGTATA1 AATGATCTTA ACCAAGTATA

<160> SEQ ID NО:3<160> SEQ ID NO:3

<210> 3<210> 3

<211> 17<211> 17

<212> GnuS<212> GnuS

<213> Artificial sequence<213> Artificial sequence

<400> 3<400> 3

1 TCGGTTGGGG AGCCTAT1 TCGGTTGGGG AGCCTAT

<160> SEQ ID NО:4<160> SEQ ID NO:4

<210> 3<210> 3

<211> 19<211> 19

<212> GnuS<212> GnuS

<213> Artificial sequence<213> Artificial sequence

<400> 4<400> 4

1 TGGCTAATCC CCTCGGATA1 TGGCTAATCC CCTCGGATA

<---<---

Claims (18)

1. Набор для диагностики рака мочевого пузыря с помощью мутаций C228T и C250T в промоторе гена hTERT с использованием спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (спектроскопия ГКР), включающий твердофазный планарный сенсор, выполненный из диэлектрического химически инертного материала и покрытия на основе наночастиц благородных металлов, толщиной 1-10 мкм; и растворы меченных красителем с пределом обнаружения не более 1 мкМ олигонуклетидов GnuS-C228T-метка и GnuS-C250T-метка, где Gnus – последовательность, состоящая из 15-20 аминокислот, из которых не менее 20% составляют цитозин (C) и гуанин (G).1. Kit for the diagnosis of bladder cancer using C228T and C250T mutations in the hTERT gene promoter using giant Raman spectroscopy (GRS), including a solid-phase planar sensor made of a dielectric chemically inert material and a coating based on noble metal nanoparticles, 1 thickness -10 µm; and solutions labeled with a dye with a detection limit of not more than 1 μM of oligonucleotides GnuS-C228T-tag and GnuS-C250T-tag, where Gnus is a sequence consisting of 15-20 amino acids, of which at least 20% are cytosine (C) and guanine ( G). 2. Набор по п.1, характеризующийся тем, что Gnus представляет собой нуклеотидную последовательность SEQ ID №1 - №4.2. The set according to claim 1, characterized in that Gnus is the nucleotide sequence of SEQ ID no. 1 - no. 4. 3. Набор по п.1, характеризующийся тем, что покрытие имеет наноструктуру с шероховатостью не менее 2 нм.3. Set according to claim 1, characterized in that the coating has a nanostructure with a roughness of at least 2 nm. 4. Набор по п.1, характеризующийся тем, что краситель с пределом обнаружения не более 1 мкМ представляет собой родаминовый, цианиновый, ксантеновый и диазо-краситель, метиленовый синий, кристаллический фиолетовый.4. The kit according to claim 1, characterized in that the dye with a detection limit of not more than 1 μm is a rhodamine, cyanine, xanthene and diazo dye, methylene blue, crystal violet. 5. Набор по п.1, характеризующийся тем, что наночастицы благородных металлов выполенены из серебра, платины, золота.5. The set according to claim 1, characterized in that the noble metal nanoparticles are made of silver, platinum, gold. 6. Набор по п.2, характеризующийся тем, что наночастицы имеют размеры 20-90 нм.6. A kit according to claim 2, characterized in that the nanoparticles are 20-90 nm in size. 7. Набор по п.1, характеризующийся тем, что диэлектрический химически инертный материал для покрытия наночастицами представляет собой силикатное стекло.7. The kit according to claim 1, characterized in that the dielectric chemically inert material for coating with nanoparticles is silicate glass. 8. Набор по п.1, характеризующийся тем, что концентрация GnuS-C228T-метка или GnuS-C250T-метка олигонуклеотида в растворе составляет от 10-6 до 10-10 М.8. The kit according to claim 1, characterized in that the concentration of the GnuS-C228T-tag or GnuS-C250T-tag of the oligonucleotide in solution is from 10 -6 to 10 -10 M. 9. Способ диагностики рака мочевого пузыря с использованием набора по п.1, включающий забор биологического образца, одну часть которого смешивают с раствором олигонуклеотида GnuS-C228T-метка, а другую часть с раствором GnuS-C250T-метка, проводят их гибридизацию с последующим определением мутаций ДНК C228T и C250T, посредством нанесения полученных смесей на поверхность сенсора, облучением монохроматическим пучком лазера с длиной волны 485-785 нм, с регистрацией сигнала комбинационного рассеяния, при этом о качественном и количественном содержании мутаций ДНК C228T и C250T судят по положению и интенсивности полос, характерных для метки-красителя.9. A method for diagnosing bladder cancer using the kit according to claim 1, including taking a biological sample, one part of which is mixed with a GnuS-C228T-tag oligonucleotide solution, and the other part with a GnuS-C250T-tag solution, their hybridization is carried out, followed by determination mutations of DNA C228T and C250T, by applying the resulting mixtures to the surface of the sensor, irradiation with a monochromatic laser beam with a wavelength of 485-785 nm, with the registration of a Raman signal, while the qualitative and quantitative content of DNA mutations C228T and C250T is judged by the position and intensity of the bands characteristic of the dye label. 10. Способ по п.9, характеризующийся тем, что в качестве биологического образца используют мочу пациента.10. The method according to claim 9, characterized in that the patient's urine is used as a biological sample. 11. Способ по п.9, характеризующийся тем, что количество ГКР-меченного олигонуклеотида используют в объемном соотношении от 1:5 до 5:1 к анализируемому образцу, содержащему мутации ДНК C228T и C250T.11. The method according to claim 9, characterized in that the amount of SERS-labeled oligonucleotide is used in a volume ratio from 1:5 to 5:1 to the analyzed sample containing the C228T and C250T DNA mutations. 12. Способ по п.9, характеризующийся тем, что проводят предварительную гибридизацию последовательностей нуклеиновых кислот с раствором, меченных красителем.12. The method according to claim 9, characterized in that pre-hybridization of nucleic acid sequences with a dye-labeled solution is carried out. 13. Способ по п.12, характеризующийся тем, что гибридизацию проводят путем смешения анализируемого и раствора, меченного красителем, их нагрева и выдерживания в течение 5-10 мин при температуре 95°С, с последующим охлаждением до комнатной температуры.13. The method according to claim 12, characterized in that hybridization is carried out by mixing the analyte and the dye-labeled solution, heating them and keeping them for 5-10 minutes at a temperature of 95 ° C, followed by cooling to room temperature. 14. Способ по п.9, характеризующийся тем, что используют анализируемые биологические образцы, смешанные с раствором олигонуклеотида GnuS-C228T-метка или GnuS-C250T-метка путем их накапывания на поверхность наночастиц.14. The method according to claim 9, characterized in that the analyzed biological samples are used, mixed with a solution of the oligonucleotide GnuS-C228T-tag or GnuS-C250T-tag by dropping them onto the surface of the nanoparticles. 15. Способ по п.9, характеризующийся тем, что используют образцы объемом 10 мкл с концентрацией мутаций ДНК C228T и C250T 10-15 – 10-2 М.15. The method according to claim 9, characterized in that samples with a volume of 10 μl are used with a concentration of C228T and C250T DNA mutations of 10 -15 - 10 -2 M. 16. Способ по п.9, характеризующийся тем, что используют монохроматическое лазерное излучение мощностью, не превышающей 200 мBт, в течение до 10-60 с.16. The method according to claim 9, characterized in that monochromatic laser radiation with a power not exceeding 200 mW is used for up to 10-60 s. 17. Способ по п.10, характеризующийся тем, что о наличии и содержании мутаций ДНК C228T и C250T в образце судят по положению и интенсивности полос при 1385, 1470 и 1590 см-1 с допустимой величиной погрешности не более 10 см-1.17. The method according to claim 10, characterized in that the presence and content of C228T and C250T DNA mutations in the sample is judged by the position and intensity of the bands at 1385, 1470 and 1590 cm -1 with an allowable error of not more than 10 cm -1 . 18. Способ по п.9, характеризующийся тем, что для определения количественного содержания мутаций предварительно строят калибровочные кривые.18. The method according to claim 9, characterized in that calibration curves are pre-built to determine the quantitative content of mutations.
RU2020132737A 2020-10-05 2020-10-05 SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION RU2764807C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132737A RU2764807C1 (en) 2020-10-05 2020-10-05 SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132737A RU2764807C1 (en) 2020-10-05 2020-10-05 SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2764807C1 true RU2764807C1 (en) 2022-01-21

Family

ID=80445228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020132737A RU2764807C1 (en) 2020-10-05 2020-10-05 SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2764807C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160040250A1 (en) * 2013-03-27 2016-02-11 The Johns Hopkins University Tert promoter mutations in cancer
RU2723160C1 (en) * 2019-08-15 2020-06-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of detecting and determining dna with a given sequence using giant raman scattering spectroscopy
WO2020145715A1 (en) * 2019-01-11 2020-07-16 주식회사 진캐스트 Dna polymerase for detecting tert mutation and kit comprising same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160040250A1 (en) * 2013-03-27 2016-02-11 The Johns Hopkins University Tert promoter mutations in cancer
WO2020145715A1 (en) * 2019-01-11 2020-07-16 주식회사 진캐스트 Dna polymerase for detecting tert mutation and kit comprising same
RU2723160C1 (en) * 2019-08-15 2020-06-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of detecting and determining dna with a given sequence using giant raman scattering spectroscopy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5688643A (en) Method of nucleic acid-differentiation and assay kit for nucleic acid differentiation
EP1297179B1 (en) Detection of nucleic acid hybridization by fluorescence polarization
US9297047B2 (en) Molecular beacon based assay for the detection of biomarkers for breast cancer metastasis
US7767390B2 (en) Methods for evaluating drug-resistance gene expression in the cancer patient
JP2006517786A (en) Direct SNP detection using unamplified DNA
US9429575B2 (en) DNA aptamer specifically binding to EN2 (engrailed-2) and use thereof
JP3844996B2 (en) Melting curve analysis method for repetitive PCR products
CN102257163A (en) Method for detecting a target nucleic acid in a sample
CN113201533A (en) Universal probe for detecting nucleic acid based on catalysis hairpin self-assembly constant-temperature amplification technology and application thereof
CN115161384A (en) Method for detecting in vitro a mutated gene, messenger ribonucleic acid or microribonucleic acid in a sample
Shandilya et al. Gold based nano-photonic approach for point-of-care detection of circulating long non-coding RNAs
CN1330775C (en) Method of detecting target nucleic acid
JP4806150B2 (en) Nucleic acid primers and probes for tumor cell detection
CN111304298B (en) Caspase biosensor and application, detection method of caspase activity
Zhang et al. Co-freezing localized CRISPR-Cas12a system enables rapid and sensitive nucleic acid analysis
Cai et al. Fabrication of on-bead functional nucleic acid nanowires based on cyclic ligation reaction-driven rolling circle amplification for label-free detection of long noncoding RNAs in breast and lung tissues
RU2723160C1 (en) Method of detecting and determining dna with a given sequence using giant raman scattering spectroscopy
RU2764807C1 (en) SET FOR THE DIAGNOSIS OF BLADDER CANCER USING C228T AND C250T MUTATIONS IN THE hTERT GENE PROMOTER AND THE METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION
CN104726548A (en) DNA, RNA or protein detection probe, detection method and kit based on hybridization chain reaction
CN104232618B (en) Detection smaller ligand target protein RCA products and its detection method
Zhang et al. A site-specific DNA methylation biosensor for both visual and magnetic determination based on lateral flow assay
Song et al. Label-free visual detection of nucleic acids in biological samples with single-base mismatch detection capability
EP2351851B1 (en) Method for measuring cytokeratin-19 mrna
US20110189662A1 (en) METHOD FOR MEASURING SURVIVIN mRNA
KR20190081363A (en) Signal amplification using nucleic acid nanostructure linked by gold nanoparticle and its applications