近红外/pH双激活DNA纳米机器实现溶酶体pH时空精准成像用于阿尔茨海默病早期检测

为解决阿尔茨海默病(AD)早期诊断中溶酶体pH动态监测的时空分辨率不足问题，研究人员开发了一种靶向溶酶体的NIR/pH双激活DNA纳米机器(UTPH)，通过DNA三链开关(DTS)-光激活杂交链反应(HCR)系统实现酸性环境下的精准pH传感，结合上转换纳米颗粒(UCNPs)的NIR-UV转换功能，成功捕捉到Aβ25-35聚集过程中自噬溶酶体的动态pH变化，为神经退行性疾病诊断提供了新型工具。

　　

阿尔茨海默病（AD）作为最常见的神经退行性疾病，其病理特征包括β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和tau蛋白过度磷酸化形成的神经原纤维缠结。近年研究发现，溶酶体功能障碍导致的pH值异常与AD早期病理进程密切相关——溶酶体内v-ATPase质子泵失效会升高pH值，进而削弱酶解能力并加剧Aβ/tau积累。然而，现有技术难以实现溶酶体pH的时空精准监测：一方面，溶酶体生理pH范围狭窄（4.5-5.5），要求探针具备酸性环境特异性响应能力；另一方面，自噬过程中的质子流动态变化需要探针具备时空可控的激活特性以避免其他细胞器干扰。

针对这一挑战，中国科学院兰州化学物理研究所的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，开发出名为UTPH的溶酶体靶向NIR/pH双激活DNA纳米机器。该技术通过整合pH敏感的DNA三链开关（DTS）、上转换纳米颗粒（UCNPs）和光激活杂交链反应（PHCR）系统，首次实现了自噬溶酶体pH动态变化的时空可控成像，为AD早期诊断提供了新方法。

关键技术包括：1）构建pH响应型DTS模块，利用CGC三链体在酸性条件下的稳定性实现pH门控；2）采用NaYF₄:Yb/Tm UCNPs实现980nm近红外光到365nm紫外光的转化；3）通过溶酶体靶向配体（LT）确保亚细胞定位准确性；4）建立HCR-FRET信号放大体系（Cy3-Cy5对）提升检测灵敏度。实验使用Aβ_25-35诱导的AD细胞模型验证性能。

【Feasibility of DTS-triggered HCR】
通过圆二色谱和凝胶电泳证实DTS在pH5.0时形成稳定三链体，pH升至6.0时解离为双链。优化后的CGC比例使开关阈值精确匹配溶酶体病理pH变化范围（4.8-5.8）。

【Spatiotemporal control performance】
共聚焦成像显示UTPH在NIR照射下仅于溶酶体内产生FRET信号，与Lyso-Tracker共定位率达92%，而线粒体（Mito-Tracker）未见交叉信号，证明其空间选择性。时间分辨率实验捕捉到Aβ聚集过程中pH的分钟级波动。

【Application in AD models】
在OA诱导的AD细胞中，UTPH检测到自噬溶酶体pH从4.9升至5.7的病理变化，该变化早于Aβ斑块形成。动物实验显示AD模型小鼠脑部FRET信号强度与病理评分呈正相关（R²=0.87）。

该研究突破性地将DNA纳米机器的可编程性与光学控制相结合，其创新性体现在：1）通过DTS-PHCR双锁机制消除假阳性；2）UCNPs介导的NIR激活实现深层组织成像；3）模块化设计允许通过替换靶向配体（如线粒体导向肽）拓展至其他细胞器监测。研究不仅为AD早期诊断提供新型分子工具，更为亚细胞微环境研究建立了通用技术平台，在神经退行性疾病机制研究和药物筛选中具有重要应用价值。