综述：自组装DNA纳米器件用于智能生物传感

《Nanoscale Horizons》：Self-assembled DNA nanodevices for intelligent biosensing

这篇综述系统阐述了自组装DNA纳米器件在智能生物传感领域的最新进展。作者重点介绍了如何利用DNA纳米结构的序列特异性、形状可编程性和空间可寻址性，构建具有超灵敏检测、多重传感和靶向分子生物成像功能的智能传感器。文章还讨论了DNA纳米器件在检测精度、稳定性和规模化生产方面面临的挑战与未来发展方向。

　　

1. 引言

DNA（脱氧核糖核酸）不仅是遗传信息的主要载体，更是一种极具应用前景的可编程纳米材料。自20世纪80年代Nadrian Seeman提出利用DNA分子构建人工组装体以来，DNA纳米技术经历了从分支连接结构到二维阵列，再到2006年Paul Rothemund发明的DNA折纸技术的重要突破。这些进展为构建具有精确几何形状和动态功能的DNA纳米结构奠定了基础。

凭借其独特的序列特异性、形状可编程性和空间可寻址性，DNA纳米结构可作为理想支架来精确组装多种功能载荷，包括小分子染料、肽段、蛋白质、核酸和纳米颗粒等。这种精确的空间组织能力使得DNA纳米技术能够创建具有定制特性的智能传感器件。特别是动态DNA器件，如DNA步行器、DNA马达和刺激响应型纳米器件，为构建智能生物传感系统提供了强大工具。

2. 用于生物传感的自组装DNA纳米器件设计

典型的DNA纳米器件生物传感器通常由自组装DNA支架、传感元件和报告元件构成。传感元件负责识别和结合目标分子，包括功能核酸（如G-四链体、i-基序、适配体和DNAzyme）以及小分子配体、肽段和抗体等。报告元件则将结合事件转化为可检测信号，如荧光信号、电化学信号等。

为提高对痕量分析物的检测灵敏度，信号处理和放大策略常被集成到DNA纳米器件中。滚环扩增（RCA）、杂交链式反应（HCR）和催化发夹组装（CHA）等技术可显著提高检测灵敏度。此外，等离子体增强效应也被用于提高灵敏度，DNA组装的等离子体纳米结构通过精确空间组织贵金属纳米颗粒，利用局域表面等离子体共振（LSPR）产生的等离子体耦合效应，将分子结合事件转化为可量化信号。

3. 用于多种分析物高效生物传感的自组装DNA纳米器件进展

3.1. 离子传感

离子在信号转导和细胞代谢等生物过程中起着至关重要的作用。DNA纳米器件通过整合功能核酸（如i-基序用于H⁺传感、G-四链体用于Na⁺/K⁺传感、DNAzyme用于特定金属离子传感）实现了对多种离子的高灵敏度检测。

例如，研究人员开发了基于DNA四面体的比率型荧光探针，可同时检测溶酶体中的H⁺、Cl^?和Ca²⁺。还有团队设计了可pH校正的比率型细胞内K⁺报告系统，成功靶向早期内体、回收内体和反式高尔基体网络。在重金属离子检测方面，基于DNAzyme的传感平台实现了对Hg²⁺、Ag⁺、Pb²⁺等环境污染物的高灵敏度监测。

3.2. 小分子传感

小分子如ATP（三磷酸腺苷）、谷胱甘肽（GSH）和葡萄糖是重要的诊断生物标志物。通过将适配体、二硫键修饰的寡核苷酸等传感元件集成到DNA纳米结构中，研究人员开发了多种小分子传感平台。

例如，可调DNA纳米环被设计用于肿瘤微环境中ATP的传感，其中ATP结合适配体被分成两段嵌入两个靶向aptamer之间，仅在同时遇到特定肿瘤细胞标志物和局部高ATP浓度时发生构象转换。还有团队开发了DNA折纸结合的微针装置，用于原位葡萄糖监测，通过葡萄糖氧化酶产生质子触发DNA纳米管构象变化，实现无创、高灵敏度的实时血糖监测。

3.3. 核酸传感

核酸作为重要的生物标志物，在病原体检测和癌症诊断中具有重要价值。DNA纳米器件为病毒基因组、microRNA（miRNA）和信使RNA（mRNA）的检测提供了快速、灵敏的等温替代方案。

研究人员开发了基于石墨烯晶体管的机电生物传感器，用于超灵敏检测SARS-CoV-2 RNA。在miRNA检测方面，DNA笼结构被设计用于细胞外囊泡中miRNA的原位检测，而酶无催化发夹组装策略则被用于形成组成型动态网络（CDN）实现miRNA传感。对于mRNA检测，DNA瓦片组装体被工程化用于同时可视化TK1 mRNA和协同癌症治疗。

3.4. 蛋白质传感

蛋白质是驱动生命过程和维持细胞完整性的关键生物分子，其表达或结构的改变常与疾病发生发展相关。DNA纳米器件通过整合适配体、抗体和肽配体，为疾病相关蛋白质生物标志物的精确识别和定量提供了新方法。

研究人员设计了网状DNA纳米传感器用于识别SARS-CoV-2病毒抗原蛋白和捕获完整病毒颗粒。DNA折纸纳米夹钳具有空间识别能力，可检测唾液中的SARS-CoV-2病毒。此外，DNA折纸六螺旋束作为分子适配器，连接少量特异性检测抗体与大量信号生成标签，显著提高了免疫测定灵敏度。

4. 工程化自组装DNA纳米器件用于智能生物传感

4.1. 超灵敏检测

为实现超灵敏检测，研究人员主要采用信号放大和单分子传感两种策略。信号放大技术如RCA、HCR和CHA被广泛用于提高灵敏度，而单分子传感技术则通过避免系综平均实现直接观察单个生物分子。

例如，DNA折纸平台修饰HCR探针用于炎症相关mRNA成像。等离子体DNA纳米器件通过控制结构运动和光学读出来检测痕量生物信号。单分子方法方面，DNA折纸等离子体纳米天线可实现标记自由单蛋白检测，而动态DNA折纸纳米结构结合FRET（荧光共振能量转移）对可实现光学信号响应。

4.2. 多重传感

DNA纳米技术的可编程性和模块性使其能够将多个传感和报告模块集成到单个平台中，实现多重传感能力。

DNA纳米诱饵可用于纳米孔病毒诊断，同时区分多重病毒变体。Y形DNAzyme和金属有机框架（MOF）纳米盒平台可同时检测多种重金属离子。更高级的逻辑门控传感和分子计算允许对复杂生物信号进行高阶分析，如AND逻辑门同时成像肿瘤miRNA和Zn²⁺离子。DNA折纸基适配体纳米阵列通过多价配体展示显著提高结合亲和力，实现循环肿瘤细胞的高效捕获。

4.3. 靶向分子生物成像

DNA纳米结构因其在亚细胞区室或特定器官中的优先定位能力，以及功能化靶向配体的精确递送能力，在分子生物成像中显示出巨大潜力。

在亚细胞水平，DNA纳米机器可实现溶酶体内H⁺和Cl^?的原位检测。DNAzyme传感系统基于核糖体RNA（rRNA）变异实现线粒体Zn²⁺的特异性成像。在器官水平，DNA折纸平台用于急性肾损伤（AKI）模型中肾脏靶向的miRNA传感，而四面体DNA框架（TDF）传感器则用于检测肾损伤分子-1（Kim-1）蛋白。

5. 总结与展望

结构DNA纳米技术已成为构建具有精确几何形状和多种功能的人工结构的强大工具。自组装DNA纳米器件在多种分子靶标的高效智能传感方面显示出巨大潜力。然而，要实现临床转化，仍需解决几个关键挑战：

检测精度和能力方面，需要开发能够识别多靶点或分子特征模式的智能传感器，整合逻辑门控传感和分子计算功能。药代动力学特性需要精细调控，以实现疾病部位的特异性积累和可控清除。稳定性和安全性方面，化学修饰和保护性涂层可增强结构稳定性，但需平衡灵敏度与稳定性的关系。大规模生产则面临成本和技术挑战。

未来研究应重点关注：将多重传感、放大和成像功能集成到统一纳米器件中；增强体内应用的药代动力学可调性、稳定性和安全性；开发成本效益高且可扩展的制造流程。结合人工智能和机器学习，DNA基生物传感有望加速数据解释和指导传感器设计，最终推动精准医学和实时疾病监测的发展。