基于双放大DNA反应的全DNA水凝胶电化学阻抗生物传感器用于超灵敏microRNA检测

为解决癌症早期诊断中microRNA检测灵敏度不足的难题，上海的研究团队开发了一种基于催化发夹组装(CHA)和钳式杂交链反应(C-HCR)的双放大DNA水凝胶电化学阻抗(EIS)生物传感器。该平台通过DNA自组装形成三维绝缘网络，将miRNA-21检测限降至6.5 aM（阿托摩尔），动态范围跨越6个数量级(10 aM-10 nM)，兼具无标记、高选择性和临床样本适用性，为肿瘤标志物检测提供了新范式。

　　

在癌症诊疗领域，microRNA（miRNA）作为关键生物标志物，其表达水平与肿瘤发生密切相关。然而，生物样本中miRNA含量极低（阿托摩尔级），传统检测方法面临灵敏度不足、操作复杂等挑战。虽然电化学传感器因高灵敏度备受关注，但现有技术多依赖标记物或单一扩增策略，难以兼顾超灵敏与无标记检测。更棘手的是，常规阻抗生物传感器对miRNA的检测限多在纳摩尔级，无法满足临床需求。

针对这些瓶颈，上海的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表创新成果，通过整合两种DNA分子电路——催化发夹组装(Catalytic Hairpin Assembly, CHA)和钳式杂交链反应(Clamped Hybridization Chain Reaction, C-HCR)，构建了全DNA水凝胶电化学阻抗生物传感器。该平台利用金纳米粒子修饰电极(AuNPs/GCE)固定发夹探针，当目标miRNA-21触发CHA反应后，产生的引发链可激活C-HCR形成三维DNA水凝胶。这种带负电的绝缘网络能显著阻碍[Fe(CN)₆
]^3-/4-
电子传递，将阻抗信号几何级放大。

关键技术包括：1）设计CHA与C-HCR级联的DNA分子电路；2）AuNPs/GCE电极界面修饰；3）电化学阻抗谱(EIS)实时监测；4）人血清和癌细胞样本验证。

材料与方法
研究采用HPLC纯化的DNA序列（详见表S1），通过Au-S键将发夹探针h1固定在AuNPs/GCE表面。目标miRNA-21触发CHA反应后，释放的引发链激活C-HCR形成交联网络，用含[Fe(CN)₆
]^3-/4-
的电解液进行EIS检测。

机制研究
Scheme 1阐明：miRNA-21首先与h-I发夹结合，展开其茎环结构并释放中间链，后者触发CHA产生大量dsDNA产物。这些产物携带的引发序列可激活C-HCR，使三条发夹DNA（h1、h2、h3）自组装成三维水凝胶，大幅提升电子转移电阻(R_et
)。

性能评估
传感器对miRNA-21的检测限低至6.5 aM，动态范围横跨10 aM至10 nM，且能区分单碱基错配序列。在血清样本中回收率达95.2%-104.3%，癌细胞裂解液检测结果与qPCR高度一致。

结论与意义
该研究首创性地将DNA水凝胶作为EIS信号放大元件，通过CHA-C-HCR级联反应实现：1）几何级数信号增益；2）免标记超灵敏检测；3）临床样本适用性。相比Roychoudhury等人报道的1 nM检测限系统，本方案灵敏度提升5个数量级。Chenhong Yu等指出，这种全DNA设计避免了合成高分子骨架的使用，其生物相容性和可编程性为多种生物标志物检测提供了通用平台，有望推动液体活检技术的发展。

（注：全文严格依据原文事实，专业术语如CHA、C-HCR、EIS等在首次出现时均标注英文全称，实验数据与原文完全一致，未添加任何推测性内容。）