基于影子链杂交驱动置换工程（SHADE）的可调pH开关理性设计及其在肿瘤微环境成像中的应用

本研究针对生理pH微环境检测中存在的响应范围固定和选择性不足等关键问题，创新性提出DNA纳米技术驱动的影子链杂交驱动置换工程（SHADE）。通过设计i-motif形成序列衍生的影子链（shadow strand）和发夹影子链（HS），结合toehold介导的链置换反应（TMSDR）和A*-C碱基对调控，实现了pH响应范围从5.0-8.0到6.0-6.5的精确编程。该策略成功应用于肿瘤微环境特异性成像，为精准医疗提供了新型分子工具。

　　

研究背景与意义

生理pH微环境如同细胞活动的"隐形指挥家"，调控着从酶催化到细胞凋亡等关键生命过程。肿瘤组织特有的"酸性外衣"（pH 6.5-7.0）已成为临床诊断标志，但现有检测技术面临两大困境：一是传统i-motif探针像"僵硬的开关"，只能在固定pH窗口（如5.0-5.5）工作；二是缺乏选择性，无法区分肿瘤微环境与溶酶体等生理酸性区域。如何打造可编程的"pH精密标尺"，成为动态DNA纳米技术领域的重大挑战。

技术方法精要

研究团队建立多维度验证体系：通过圆二色谱（CD）和紫外光谱验证i-motif构象变化；设计正交实验筛选128种shadow strand组合；采用流式细胞术和激光共聚焦显微镜（CLSM）评估细胞表面pH响应；构建HeLa细胞移植瘤模型进行活体成像。关键创新在于将toehold介导链置换反应（TMSDR）的动力学参数（如Δf_T-r_T）转化为pH响应调节变量。

研究结果

1. 1.

   酸性响应系统设计

   通过理性设计i-motif形成序列（含连续C碱基）与shadow strand（去C修饰）的协同作用，实现pH 5.0信号增强8.3倍。正交实验揭示当正向与反向toehold长度差（Δf_T-r_T）为0时，pH信号差异比（pHSD）最优。

1. 1.

   A-C碱基对调控*

   在i-motif与blocker间引入质子化依赖的A-C错配对，使响应中点（pH^T）从5.21升至6.21。研究发现5'端A-C对pH^T的调节效率比3'端高1.4倍。

2. 2.

   碱性响应HS设计

   发夹影子链（HS）的茎部嵌入A*-C对，在pH>7.0时toehold解离激活TMSDR，实现"碱性偏好"响应（pH^T=7.2）。

3. 3.

   窄窗口pH探针

   整合i-motif与HS构建三态系统，在pH 6.5呈现特异性荧光峰，凝胶电泳证实此时i-motif构象占比达78%。

4. 4.

   肿瘤微环境成像

   偶联c-MET靶向适体后，探针在pH 6.5的肿瘤模型荧光信噪比（T/N）达4.8，显著优于突变对照组（1.3）。

结论与展望

该研究突破性地将蛋白质分子伴侣概念引入DNA纳米技术，创建的SHADE策略具有三大革新性：一是首次实现TMSDR动力学参数到pH响应范围的映射转换；二是通过A*-C/H