目标通过HCR介导的水凝胶组装触发了G4催化网络，从而高效地对微小RNA（microRNA）进行了多模型分析

《Advanced Sensor and Energy Materials》：Target triggered G4 catalytic network via HCR-mediated hydrogel assembly for multi-model analysis of microRNA efficiently

基于HCR介导的DNA水凝胶自组装构建便携式POC分析平台，通过G4催化网络实现miRNA-155的高灵敏度检测（LOD 138 pM），结合RGB图像分析建立三色定量体系，为资源有限地区的早期癌症诊断提供简单、低成本解决方案。

　　随着现代医学对疾病分层诊断与治疗体系的不断进步，对于疾病分析和预后监测的需求也日益增长。人们希望拥有快速、用户友好且成本低廉的方法，以实现对疾病早期诊断和实时病情追踪。在这一背景下，微小RNA（miRNA）作为一种重要的生物标志物，因其在疾病早期诊断中的关键作用而备受关注。然而，miRNA的检测面临诸多挑战，包括其分子量小、体内含量低以及不同物种间序列高度同源等问题。传统的检测方法如Northern blotting和实时荧光定量聚合酶链式反应（RT-PCR）虽然具有较高的灵敏度，但操作复杂、耗时较长，并且依赖专门的仪器设备，限制了其在实际应用中的广泛使用，尤其是在基层医疗和远程诊断环境中。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种便携且高效的点对点（Point-of-Care, POC）分析平台。该平台基于miRNA-155触发的G4催化网络，通过杂交链反应（HCR）介导的水凝胶自组装技术实现。该方法能够实现对miRNA-155浓度的高灵敏度检测，检测限低至138 pM，表明其在低浓度检测中具有良好的性能。此外，通过颜色反应的图像信息分析，可以利用RGB值进行三元精确定量分析，从而提升检测的灵敏度和便携性。这一创新平台不仅为家庭生物分析提供了简单、低成本且可定制的解决方案，也为资源匮乏或偏远地区的早期疾病诊断开辟了新的途径。

miRNA的检测技术在过去几十年中经历了显著的发展。最初，Northern blotting和RT-PCR被认为是标准的分析方法，但它们在实际应用中存在诸多局限。近年来，等温核酸信号放大技术、杂交链反应（HCR）和催化发夹组装（CHA）等新型技术被广泛引入，以提高检测的效率和灵敏度。这些技术通常依赖于目标分子的触发，通过热力学熵和焓的变化实现信号的放大，其操作相对简便，且能够在较短时间内完成。例如，Wang等人设计了一种由内源熵驱动的复杂DNA电路，实现了对miRNA的高灵敏度检测；而Xie等人则通过设计双锁定的CHA底物，有效降低了背景信号，提高了检测的准确性。然而，尽管这些荧光生物传感器在时间效率方面有所突破，它们仍然对仪器设备有较高的依赖性，这在实际应用中可能会成为瓶颈。

因此，点对点分析作为一种快速、便捷的诊断方法，逐渐受到重视。点对点分析能够在现场快速获得诊断结果，提高患者的可及性，并支持远程和资源匮乏地区的疾病监测。研究团队注意到，富含鸟嘌呤（G）的核酸序列在钾离子（K?）存在的情况下，可以折叠形成G4结构。这种结构在与血红素（Hemin）结合后，能够显著增强催化活性，从而驱动多种信号反应，如荧光、比色和电化学发光等。其中，比色法因其操作简便和反应快速，成为点对点设备中的一种有效信号载体。

在实验设计中，研究团队采用了一种基于HCR介导的水凝胶自组装技术，构建了一个由miRNA-155触发的G4催化网络。这一网络的形成依赖于H1和H2两种发夹结构的重复杂交，最终生成具有催化活性的长链DNA水凝胶。由于H1和H2的G-rich序列在水凝胶中处于相邻位置，因此能够在K?环境下形成稳定的G4结构。该结构通过催化TMB（3,3′,5,5′-四甲基联苯胺）的氧化反应，产生可检测的颜色信号。通过分析颜色反应产生的RGB值，可以建立颜色强度与目标miRNA浓度之间的定量关系，从而实现基于图像输入的智能识别和高灵敏度检测，无需复杂的仪器设备。

在实验过程中，研究团队对多种实验条件进行了优化，包括Hemin和H?O?的浓度以及杂交时间。结果显示，Hemin的浓度对反应信号有显著影响，当浓度达到50 μM时，信号趋于饱和。H?O?的浓度则决定了催化反应的速率和程度，实验表明在100 mM的H?O?浓度下，吸收值在15分钟内达到最大值。杂交时间的延长有助于形成更紧密的DNA水凝胶催化网络，吸收值在75分钟时趋于稳定。这些优化措施为实现高效的miRNA检测提供了重要依据。

为了评估该方法的分析性能，研究团队对不同浓度的miRNA-155进行了信号响应测试。结果表明，随着miRNA-155浓度的增加，吸收强度显著上升。通过拟合吸收强度与浓度之间的关系，研究团队获得了在500 pM至100 nM范围内的线性相关性，检测限达到138 pM，表明该方法在低浓度检测中具有较高的灵敏度。此外，通过测试不同miRNA的信号值，验证了该方法的高特异性。即使在存在50倍浓度的干扰miRNA的情况下，miRNA-155的信号仍显著高于其他miRNA，进一步证明了该方法在复杂样本中的可靠性。

为了验证该方法在实际样本中的有效性，研究团队使用标准加入法，将miRNA-155引入50倍稀释的健康人血清样本中，并测试了其回收效率和相对标准偏差（RSD）。结果显示，该方法的回收效率在83%至93%之间，RSD小于5%，表明其在血清样本分析中具有较高的准确性和可靠性。这一结果为该方法在临床实践中的应用提供了重要支持。

除了对miRNA的检测能力，该方法还具有广泛的应用前景。研究团队将其应用于临床血清样本和不同细胞系的分析中，以验证其在实际应用中的表现。结果表明，与健康人血清相比，肺癌、肝癌、结直肠癌等患者血清中miRNA-155的表达水平显著升高，进一步证明了该方法在疾病诊断中的潜力。此外，通过分析不同细胞系的细胞裂解液，研究团队发现HeLa细胞（高表达miRNA-155）的吸收值明显高于MCF-10A细胞（低表达miRNA-155），表明该方法能够准确反映miRNA在细胞中的表达情况。

为了提高检测的准确性和公平性，研究团队引入了RGB分析技术。他们使用相机捕捉不同浓度miRNA-155反应后的样本图像，并通过分析图像中的R、G和B值，实现了对目标浓度的定量评估。实验结果表明，随着miRNA-155浓度的增加，B和G值的变化不明显，而R值则表现出较大的波动范围。通过对RGB值与浓度的对数拟合，研究团队建立了RGB值与浓度之间的线性关系，进一步验证了该方法的准确性。RGB值的独立分析不仅有助于精确判断颜色反应，还能提供数字化的读数，从而提升检测的智能化水平。

该方法的优势在于其操作简便、成本低廉且具有高度的可编程性。通过合理设计DNA序列，可以灵活调整检测策略，使其适用于多种生物标志物的检测。此外，该平台的模块化和可定制特性使其能够适应不同的应用场景，包括家庭生物分析和临床诊断。在资源有限或偏远地区，这种无需复杂仪器的检测方法尤为重要，因为它能够提供快速、可靠且经济的诊断手段。

总之，这项研究开发了一种基于G4催化网络的便携式点对点分析平台，能够实现对miRNA的高灵敏度和高特异性检测。该方法通过比色信号输出模块，将分子识别事件转化为可观察的颜色变化，能够在短时间内提供直观的诊断结果。与传统方法相比，该平台无需复杂的仪器设备和繁琐的操作流程，简化了检测过程，提高了用户的友好度。同时，其高度的可编程性和模块化设计，使其能够灵活适应不同类型的生物标志物检测需求。这一创新方法为疾病早期筛查、实时生物标志物监测以及个性化医疗提供了新的可能性，代表了下一代基于核酸的诊断技术的重要进展。