室温保存全血DNA：低温硅化法

血液与唾液或其他生物标本都是保存遗传物质最常见的资源之一，标本冷冻是目前主流的原位方法，因为它产生的核酸质量好，产量高。但随之而来的高成本和专门的基础设施限制了它在日常临床护理中的应用。

 

华南理工大学的张宏陆教授团队在《Matter》上撰写Preview文章“In situ DNA storage with whole blood cryogenic silicification”，文章介绍了在室温下成功长期保存全血基因组DNA的研究。

 

研究者受将DNA密封在天然化石中的启发，将新鲜的抗凝血外周血与硅化液混合，在-80℃下冷冻24小时，对全血细胞进行低温硅化处理（图1A）。在低温硅化处理过程中，虽然约有三分之一的红细胞被裂解或因二氧化硅的细胞渗透而受损，但几乎所有的低温硅化白细胞都保持了原有的结构完整性，并且在环境应力下表现出比天然白细胞更大的机械硬度（图1B）。

 

为了评估冷冻硅化细胞的DNA保存能力，研究者用一系列分子检测方法系统地比较了从冷冻硅化细胞、4℃硅化细胞和甲醛固定细胞中提取的DNA样本的产量和保真度。低温硅化（76.7%）和4℃硅化（72.6%）的DNA产量均比甲醛固定的样本高3.6倍。聚合酶链式反应（PCR）、凝胶电泳和全基因组测序（WGS）分析表明，低温硅化样本表现出合格的保真度；全基因组的错误率（2.68×10-7）小于Taq DNA聚合酶的错误率（>10-6）（图1C）。

 

此外，稳定性、全基因组测序（WGS）分析和加速老化研究显示，低温硅化的DNA在活性氧（ROS）、紫外线辐射和长期暴露于高温潮湿的条件下表现都很强健（图1D-1F）。研究者推测，低温硅化样本的显著环境抵抗能力是由于致密的硅质细胞屏障的保护。

 

最后，为了扩大室温保存的通用性，研究者用血卡和3D打印的人工制品开发了全血DNA库（图1G），冷冻硅化的样本在解冻和干燥后被储存在滤纸中。使用这个方案，100张纸可以储存1000个人的基因组DNA。该程序的成本为每人不到0.5美元，与目前的DNA库方法相比，减少了1000至10000倍。此外，研究者将冷冻硅化的样本与3D打印机墨水混合，构建特定的几何形状，以区分来自不同个体、家族甚至物种的基因组信息。这两种方法都表现出了较高的DNA提取率和安全、长期的全基因组信息保存。

 

简而言之，研究者开发的原位冷冻DNA库策略成本低，产量高，保真度高，并在室温下可长期保存。利用这种方法，医务研究者可以在没有超低温冰箱的情况下运输全血DNA，很大程度上降低了物流成本。


图1. 全血低温硅化的DNA原位存储

(A) 血细胞低温硅化过程的示意图

(B）天然白细胞、低温硅化白细胞、天然红细胞和低温硅化红细胞的扫描电子显微镜图像。

(C) 与新鲜血液相比，冷冻硅化血样的所有人类染色体的单核苷酸多态性（SNP）突变。

(D和E）在H2O2（D）和紫外线（E）处理后，从新鲜血液样本、纯化的DNA、未受保护的血液、4℃硅化血液、低温硅化血液样本中提取的DNA凝胶电泳。

(F) 根据纯化的DNA、无保护的血液、4℃硅化的血液和低温硅化的血液样本的实验衰变率常数推算出的半衰期。

(G) 使用纸质卡片（左）和3D打印的人工制品（右）的全血DNA库。经许可转载自Zhou等人。版权所有2022 Springer Nature

 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238522006609