综述：工程化环状生物分子在先进诊断和治疗应用中的开发

这篇综述系统阐述了核酸（circDNA/RNA）、肽（CPPs）和蛋白质的环化工程策略及其在生物传感、靶向成像和递送领域的应用。通过增强构象刚性、抗降解性和膜渗透性，环化技术显著提升了生物分子的诊断（biosensing）和治疗（theranostic）性能，为开发无载体（carrier-free）靶向系统提供了新范式。

　　

引言

核酸、肽和蛋白质凭借其结构多样性，在生物识别、信号传导和疾病治疗中扮演关键角色。然而，这些生物分子普遍面临酶解不稳定性和递送效率低下的挑战。环化技术通过共价闭合骨架赋予其突破性优势：构象刚性降低熵罚（entropic penalty）、抗蛋白酶降解特性延长半衰期，甚至实现无载体细胞穿透（如环肽CPPs）。自然界中，病毒环状ssDNA和抗菌肽（如达托霉素）已印证该策略的进化优势。

核酸环化

病毒和细菌天然利用环状ssDNA/RNA（circDNA）逃避宿主核酸酶攻击。人工环化策略包括：

1. 1.

   滚环扩增（RCA）：生成重复单元环状骨架，用于构建DNA折纸（DNA origami）纳米结构

2. 2.

   T4连接酶介导闭环：精确插入适配体（aptamer）序列，形成高稳定性靶向探针

3. 3.

   自催化核酶环化：如锤头状核酶（hammerhead ribozyme）实现RNA自剪切环化

   环状核酸在活体成像中表现突出，例如硫代磷酸酯（phosphorothioate）修饰的circDNA可抵抗血清核酸酶，实现72小时肿瘤持续追踪。

肽环化

天然环肽（如芋螺毒素）通过二硫键或酰胺键形成刚性结构。工程化策略包括：

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  头尾环化：Sortase A酶催化连接N端甘氨酸和C端寡聚甘氨酸

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  侧链交联：光交联非天然氨基酸（如双苯丙氨酸）增强膜穿透性

  临床前研究显示，环化RGD肽对整合素α_vβ₃的结合亲和力提升40倍，肿瘤蓄积量达线性肽的6倍。

蛋白质环化

分拣酶（intein）介导的蛋白质环化可稳定功能性结构域：

1. 1.

   Split-intein环化：将蛋白质两端与断裂内含肽融合，重组后自发环化

2. 2.

   SpyTag/SpyCatcher系统：基于细菌黏附蛋白的共价环化标签

   环化抗体片段（如scFv）展现出惊人的热稳定性，在75°C下仍保持90%活性，远超线性抗体。

总结与展望

环化工程已突破天然生物分子局限：

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  诊断领域：环状适体（aptamer）实现飞摩尔级检测限

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  治疗领域：无载体环肽穿透血脑屏障递送siRNA

  未来需解决规模化生产挑战，并探索CRISPR-Cas9等工具在体内环化中的应用。该技术正重塑生物医药从实验室到临床的转化路径。