刺激响应性DNA水凝胶释放核苷碳点增强酶活性以实现癌症亚型精准鉴别

本文开发了一种基于i-motif结构的双触发DNA水凝胶，通过pH响应机制和靶标激活的酶切作用实现信号探针（ACDs）的可控释放。该体系利用腺苷碳点（ACDs）调控葡萄糖脱氢酶（GDH）活性，结合电化学生物传感器与机器学习模型，成功实现了对三种miRNA的灵敏检测及外泌体亚型的高精度区分（准确率达83.33%），为多靶标检测提供了新策略。

　　

Results and Discussion

核苷酸是多种核酸结构的基本构建单元。源自核苷酸的纳米材料（如碳点CDs）展现出卓越的纳米酶催化能力。本研究通过微波辅助法合成了一种特异性核苷酸碳点（ACDs）。如图1A所示，透射电子显微镜（TEM）证实合成的ACDs具有均匀的尺寸分布和良好的分散性（插入图显示粒径约为2.5 nm）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步验证了ACDs表面存在丰富的氨基和羧基官能团（图1B），这些基团可能参与和生物分子的相互作用。接下来，我们探究了ACDs对葡萄糖脱氢酶（GDH）活性的影响。如图1C所示，在ACDs存在下，GDH催化葡萄糖氧化反应的速率显著提升，表明ACDs可作为GDH的活性增强剂。我们推测这种增效作用源于ACDs与GDH之间的特异性相互作用，可能通过调节酶构象或促进电子传递实现。

基于上述发现，我们构建了一种i-motif DNA水凝胶体系用于封装ACDs，并实现miRNA响应性释放。该水凝胶在pH 8条件下结构扩展但不溶解，仅在靶标miRNA存在时激活双链切割酶（DSN）触发水凝胶解体（图2A）。如图2B所示，该体系在5分钟内即可响应靶标，且ACDs的封装稳定性长达120小时。通过对miRNA-21、miRNA-122和let-7a的检测，我们建立了浓度依赖的信号响应曲线（图3A-C），并发现miRNA-21与miRNA-122的组合在区分三种外泌体亚型时表现最佳（图3D）。最终，我们通过3D打印技术构建便携式检测装置，结合机器学习模型实现了83.33%的准确分类。

Conclusion

本研究揭示了核苷碳点（ACDs）对葡萄糖脱氢酶（GDH）催化活性的增强效应，并成功开发了一种基于i-motif DNA水凝胶的miRNA响应性检测体系。通过将ACDs与GDH协同整合，实现了以血糖仪为读出平台的高灵敏度miRNA定量检测。进一步构建的分类模型成功实现了对三种外泌体亚型的精准区分，为多靶标检测和疾病分子分型提供了新思路。