近红外光控DNA纳米器件实现microRNA精准成像与双重循环信号放大

针对传统DNA探针在microRNA(miRNA)检测中存在的低丰度响应不足和持续激活问题，内蒙古大学化学化工学院团队开发了基于上转换纳米颗粒(UCs)的光笼放大DNA纳米器件(PAD)。该器件通过近红外(NIR)光控释放紫外光激活DNA探针，利用内源性GAPDH mRNA和发夹DNA(Hp)驱动双重循环放大，实现了20倍检测限提升的miR155时空分辨成像，为肿瘤早期诊断提供了新工具。

　　

在生命科学领域，microRNA(miRNA)作为癌症早期诊断的关键生物标志物，其检测却面临两大技术瓶颈：一是细胞内miRNA丰度极低，传统线性杂交探针存在灵敏度不足；二是常规DNA探针"持续激活"特性导致非特异性信号干扰。尽管PCR等技术能实现高灵敏度检测，但操作复杂且难以活体应用。如何建立兼具高灵敏度、时空分辨能力的活体miRNA成像方法，成为亟待突破的科学难题。

内蒙古大学化学化工学院的研究团队在《Materials Today Bio》发表的研究中，创新性地构建了光笼放大DNA纳米器件(PAD)。该系统通过将光敏DNA探针负载于上转换纳米颗粒(UCs)，利用980 nm近红外光(NIR)激发产生紫外光，精确激活探针并触发miRNA响应。更巧妙的是，研究者设计了双重循环放大机制：第一循环利用细胞内高表达的GAPDH mRNA驱动靶标miRNA循环利用；第二循环通过外源添加发夹DNA(Hp)进一步放大信号，最终实现"一对多"的级联放大。

关键技术方法包括：1) NaYF₄:Yb/Tm@NaGdF₄核壳结构UCs的合成与表面修饰；2) 光敏DNA探针设计(含PC连接臂和BHQ2/Cy5荧光淬灭对)；3) 基于链置换反应(Toehold-mediated strand displacement)的双循环放大体系构建；4) 活体水平NIR光控激活实验。

研究结果验证：

2.1. PAD原理验证

凝胶电泳(PAGE)证实双重循环机制可行性，双循环体系使C1链释放率达80%以上，较单循环信号提升44倍。荧光实验显示检测限低至5.9 pM，较传统方法提升20倍，并能精准区分单碱基错配。

2.2. 器件构建与表征

成功制备粒径37.5 nm的六方相UCs，其363 nm紫外发射峰与PC连接臂裂解波长匹配。Zeta电位测试证实DNA探针成功负载，每个UCs携带约69个探针分子。血清稳定性实验显示PAD可有效避免假阳性信号。

2.3. 体外miRNA成像

共聚焦显微镜(CLSM)显示HeLa细胞中NIR激活组Cy5信号显著增强，而未照射组几乎无背景信号。流式细胞术证实双循环体系信号强度排序为：双循环>单循环>无循环，与qRT-PCR检测的miR155表达水平高度一致。

2.4. 活体成像应用

在荷瘤小鼠模型中，PAD+NIR组肿瘤部位荧光强度是对照组的2.1倍，且通过间歇照射策略(1.5 W/cm²，1分钟照射/5分钟间隔)避免热损伤。离体器官成像显示主要蓄积于肝、肾，H&E染色证实系统生物安全性。

该研究的突破性在于：首次将内源性mRNA驱动与外源Hp放大相结合，创建了NIR光控的双循环放大体系。这种"时空双锁"设计既解决了传统探针的脱靶激活问题，又通过级联放大克服了低丰度miRNA检测难题。特别值得注意的是，该系统巧妙地利用细胞固有成分(GAPDH mRNA)作为燃料，避免了外源酶引入的复杂性，为活体核酸成像提供了新范式。未来通过优化探针负载率和照射参数，这一平台技术有望拓展至其他疾病相关核酸标志物的精准检测。