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ZIF-67应用于ctDNA储存与稀有突变检测
摘要
上海交通大学宋萍、齐鲁工业大学/山东省科学院胡琼政与同济大学张云芳老师团队联合报道的研究Adv. Funct. Mater. 2026, e27407中，针对循环肿瘤DNA（ctDNA）低丰度、易降解导致液体活检灵敏度受限的难题，开发了基于ZIF-67金属有机框架的ctDNA保护策略。
1) 该策略利用ZIF-67的正电性框架与DNA磷酸骨架的静电吸附及碱基与咪唑配体间的π-π堆积协同作用，有效抵御紫外辐射、酶切和氧化应激对DNA的损伤，室温储存四周后DNA完整性保持85%以上。
2) 该平台与阻断置换扩增（BDA）完全兼容，可检测变异等位基因频率（VAF）低至0.37%的稀有突变，并经临床结直肠癌样本验证，为消除冷链依赖、推动精准肿瘤诊断提供了可扩展的材料基解决方案。
研究背景
1. 行业问题：
ctDNA液体活检是癌症无创诊断的关键手段，但ctDNA丰度极低（VAF常低于1%），且在采集、储存和运输过程中极易受紫外辐射、温度波动、氧化应激和核酸酶等因素降解，导致片段化、序列改变和遗传信息丢失，严重制约低频突变的灵敏检测。
2. 现有方案：
现有DNA稳定化方法（如化学稳定剂、低温保存）难以在室温条件下维持DNA完整性，且可能干扰下游高灵敏度检测流程；MOF用于短寡核苷酸和RNA保护已有探索，但针对痕量、结构复杂的ctDNA片段保护及其与低频突变检测工作流的兼容性研究仍属空白。
3. 本文创新：
首次系统利用ZIF-67作为保护基质稳定血浆来源ctDNA，结合材料表征、光谱分析与分子动力学模拟揭示保护机理，并与BDA技术联用实现低VAF突变检测，经临床样本验证，建立了从材料保护到精准诊断的完整技术链路。
实验部分
1. ZIF-67合成与DNA负载：
以Co²⁺节点和2-甲基咪唑配体合成ZIF-67，利用其正电性框架通过静电作用快速吸附带负电的DNA磷酸骨架，实现ctDNA高效负载封装。
2. DNA吸附与可控释放实验：
1) 将ZIF-67粉末分散于TE缓冲液制备0.45 mg/mL悬浮液，与目标DNA等体积孵育12h完成吸附固定。系统优化释放条件，证实500 mM EDTA处理12h可完全拆解ZIF-67骨架，实现DNA无损释放，回收率接近100%，且吸附-释放全过程不会破坏DNA完整构象。
2) 同时确定pH 8为最优吸附条件，可最大化材料与DNA的静电结合作用。
3. 抗降解保护实验：
分别对ZIF-67负载的DNA进行紫外辐射、核酸酶消化和氧化应激处理，结果表明ZIF-67可显著抵御上述三类降解因素，保护效果远优于游离DNA对照组。
4. 室温长期储存实验：
将ZIF-67@DNA复合物于室温储存四周，DNA完整性保持85%以上，无需冷链物流，证实材料的长期保护能力。
5. BDA联用稀有突变检测：
将ZIF-67保护后的DNA与阻断置换扩增（BDA）技术结合，成功检测VAF低至0.37%的稀有突变，验证平台与高灵敏度下游检测的兼容性。
6. 临床样本验证：
采用结直肠癌（CRC）患者血浆ctDNA样本，成功检出KRAS突变，证实该策略在真实临床场景中的适用性。
实验突破：首次实现MOF对痕量ctDNA的系统保护并与低频突变检测兼容，消除冷链依赖，VAF检测限达0.37%。
分析测试
1. 结构表征：
1) SEM测试显示合成的ZIF-67为均匀多面体结构，平均粒径1.5 μm，分散性优异；XRD图谱与标准卡片完全匹配，证明材料结晶度高、物相纯净。BJH测试表明材料平均孔径4.85 nm、孔容0.71 cm³/g，适配cfDNA吸附固定需求。
2) 负载DNA后ZIF-67的SEM形貌观测仍基本保持完整
2. 界面表征：
1) SEM-EDS元素映射证实DNA吸附后材料表面出现均匀磷元素分布，P/Co质量比由0.36升至0.51，证明DNA成功负载。
2) XPS测试显示，结合DNA后Co 2p特征峰偏移、P 2p特征峰出现，明确DNA磷酸骨架与ZIF-67钴节点形成稳定配位作用。3) Zeta电位测试证实材料在弱碱性环境下带正电，可高效结合带负电的DNA。
3. 突变检测性能标定：
qPCR标准曲线标定显示，ZIF-67防护前后DNA的BDA扩增线性相关性优异（R²＞0.96），证明防护过程不影响下游扩增反应。临床检测中，体系可稳定检出0.37% VAF的罕见突变，检测阈值精准、重复性好。
机理分析
1. 保护机理：
ZIF-67的Co²⁺节点赋予框架正电性，与DNA磷酸骨架产生强静电吸附；同时，2-甲基咪唑配体的芳香环与DNA碱基间形成π-π堆积作用，二者协同将DNA牢固锚定于框架表面及孔道内，形成物理屏障，阻隔紫外光子、核酸酶和活性氧的侵袭。
2. MD模拟验证：
分子动力学模拟定量显示静电相互作用和π-π堆积对DNA结合能的贡献比例，证实二者缺一不可，协同效应是ZIF-67优于其他MOF材料的关键。
3. 兼容性机理：
ZIF-67在酸性条件下可降解释放DNA，释放后的DNA片段完整、序列保真，可直接用于BDA扩增，材料残留不干扰检测信号。
总结
本文开发了ZIF-67基MOF保护ctDNA的新策略，通过静电吸附与π-π堆积协同作用实现室温四周85%以上DNA完整性保持，有效抵御紫外、酶切和氧化损伤，并与BDA技术兼容实现VAF 0.37%的稀有突变检测，经结直肠癌临床样本验证，为液体活检样本的免冷链储运和精准肿瘤诊断提供了可靠的材料基平台。
文章标题：Metal-Organic Framework-Enabled Protection of Plasma DNA for Long-Term Storage and Rare Mutation Detection
作者：Qiangting Zheng, Yi Gu, Xinglei Su, Hongyu Shen, Fengyang Zhao, Yi Zhang, Wenli Wu, Fei Wang, Yunfang Zhang, Qiongzheng Hu, Ping Song
DOI：10.1002/adfm.202527407
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202527407
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上海交通大学宋萍、齐鲁工业大学胡琼政与同济大学张云芳团队合作的AFM文章中，开发ZIF-67保护血浆ctDNA策略，通过静电与π-π堆积协同作用，室温储存四周DNA完整性超85%，兼容BDA检测VAF低至0.37%的稀有突变，经结直肠癌临床样本验证，消除冷链依赖。
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