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核酸纳米技术已成为一种多功能工具，用于合理设计可在细胞内或细胞表面发挥功能的智能纳米级结构。这些纳米结构特别适合细胞内应用的关键特征包括其可预测的几何形状、模块化设计、精确的空间寻址能力、丰富的功能组件库、生物相容性、执行分子逻辑运算的能力，以及刺激响应性的货
核酸纳米技术已成为一种多功能工具，用于合理设计可在细胞内或细胞表面发挥功能的智能纳米级结构。这些纳米结构特别适合细胞内应用的关键特征包括其可预测的几何形状、模块化设计、精确的空间寻址能力、丰富的功能组件库、生物相容性、执行分子逻辑运算的能力，以及刺激响应性的货物捕获与释放。在本综述中，研究人员重点介绍了核酸纳米技术作为细胞工程合成细胞机器、细胞内诊断传感器，以及靶向治疗递送和膜相关治疗平台的最新进展。研究人员进一步讨论了细胞内递送的DNA纳米结构和基因编码的RNA纳米结构，强调了两种平台在细胞内（in cellulo）和体内（in vivo）应用中各自提供的独特机遇。
论文解读
一、研究背景与问题
核酸纳米技术利用DNA和RNA可预测的碱基配对特性，在合成寡核苷酸和多核苷酸的序列中编码三维结构。DNA折纸（DNA origami）是其中最具代表性的技术，通过短订书钉链将长单链支架折叠成预定形状。在此基础上，RNA也被用于构建纳米级结构，与需要化学合成和退火处理的DNA纳米结构不同，RNA纳米结构可以被基因编码、转录，并编程为共转录折叠，例如单链RNA折纸（single-stranded RNA origami）。
鉴于核酸固有的生物相容性，将DNA和RNA纳米结构部署到细胞内（in cellulo）和体内（in vivo）是该领域自然演进的必然方向，旨在实现其在合成生物学、生物传感、诊断和治疗中的实际应用价值。早期细胞部署的演示涵盖了原核和真核靶标，既包括通过胞外递送预组装纳米结构，也包括胞内表达和组装。这些研究包括在大肠杆菌（E. coli）内表达基因编码的RNA支架以组织生物分子组件，以及通过内吞作用递送DNA纳米机器以绘制果蝇血细胞和哺乳动物细胞中的pH变化图谱。
尽管细胞内核酸纳米技术的应用兴趣日益增长，但近期综述要么仅聚焦于体外（in vitro）研究，要么仅聚焦于治疗应用。本综述全面梳理了细胞内核酸纳米技术在三个关键领域的最新进展：合成细胞内机器、生物传感和治疗。
二、研究内容与主要结论
研究人员系统综述了核酸纳米技术在三个核心应用领域的最新进展，得出以下主要结论：
合成细胞内机器方面：合成的细胞内核酸装置能够感知分子输入、改变构象并在活细胞内组装，以执行特定操作和控制细胞行为。这些装置既可以通过递送的DNA实现，也可以通过基因表达的RNA实现。Wu等人开发了一种变构DNA四面体，封装靶向蛋白质的适配体，通过靶向蛋白质降解调控膜受体活性；燃料链和反燃料链可逆地在笼蔽状态和暴露状态之间切换适配体，暴露状态可结合癌症中过表达的c-Met受体并将其引导至溶酶体降解。Guo等人开发了含半i-motif序列和脱嘌呤/脱嘧啶（AP）位点的Y形DNA纳米结构（YDN），响应溶酶体pH和APE1酶活性进行多步加工，形成激活自噬的细胞质DNA网络。Elblová等人开发了包被生物活性肽的DNA折纸六螺旋束（6HB），以内吞和加工后通过诱导酸化肿胀或碱化破裂干扰溶酶体功能。在RNA方面，Chang等人开发了基于平行粘合的RNA瓦片，通过kissing loop相互作用形成具有亚核定位的纳米网状构型。Ng等人将绿色荧光蛋白结合适配体（AP3）嵌入纳米星（AAP3）中，在大肠杆菌中构建了能够选择性招募蛋白质的合成RNA细胞器。Li等人开发了环化RNA纳米星，在哺乳动物细胞中形成具有可编程定位的RNA凝聚体，能够招募蛋白质和RNA。相关RNA纳米星设计还允许小分子触发可逆凝聚体形成。
生物传感方面：核酸纳米结构越来越多地应用于生物传感和分子成像，利用分子计算能力。Zhang等人开发了内源驱动的AND逻辑DNA纳米机器（EDN），以DNA修复酶APE1和致癌miRNA miR-21作为双输入，触发级联toehold介导的链置换（TMSD）反应，仅在两种生物标志物同时存在时产生放大的荧光共振能量转移（FRET）信号，最大限度减少脱靶激活。Zheng等人设计了基于DNA四面体（TDN）的逻辑放大器，将内源ATP传感与外源光激活相结合，实现miR-21成像的时空控制。此外，DNA步行纳米机器利用靶标生物标志物激活DNAzyme，通过重复催化循环产生放大信号，实现了多种癌细胞类型的灵敏miR-21成像。在RNA方面，研究者开发了序贯荧光RNA成像传感器（seqFRIES），利用光谱正交的荧光RNA适配体-染料对进行序贯或多重RNA成像，通过四种基因编码的正交RNA适配体和膜通透染料对（Broccoli/DFHBI-1T、Corn/DFHO、DNB/TMR-DN和Pepper/HBC620），在细菌和哺乳动物细胞中实现了四种不同RNA靶标的半定量四色成像。此外还开发了甘氨酸生物传感器，将甘氨酸核糖开关与荧光RNA适配体偶联，产生高选择性turn-on响应，并开发了两种比率计量格式用于定量成像细菌细胞中内源甘氨酸的产生。
治疗应用方面：治疗是核酸纳米技术增长最快的应用领域之一。Garcia-Diosa等人将DNA折纸应用于大肠杆菌的抗菌平台，发现较短的紧凑6螺旋束不促进细菌生长，是抗菌应用的有前景支架。Weck等人研究了DNA折纸介导的Fas受体激活在肿瘤球体中的作用，证明治疗功效取决于组织穿透和受体激活之间的平衡：较小、低纵横比的结构穿透球体最深，而凋亡诱导主要由Fas配体呈递决定而非折纸几何形状。TDN因其紧凑几何形状、良好的生物分布和高效摄取而成为有效治疗平台，近期被用于BRAF靶向siRNA递送，在小鼠模型和患者来源肿瘤类器官中表现出延长肿瘤滞留、增强肿瘤积累和有效BRAF沉默。Li等人利用i-motif开发了pH响应DNA折纸（SpTCE），在酸性肿瘤微环境中发生构象变化，提高靶向精度和治疗选择性，在小鼠中表现出增强的肿瘤积累和有效的T细胞介导肿瘤杀伤，同时与临床阶段的双特异性T细胞接合器相比减少脱靶毒性。Willner等人开发了包被合成IgG抗体的二十面体DNA折纸壳，针对乙型肝炎病毒表面抗原，在细胞培养中有效中和乙肝病毒。Zeng等人开发了可编程DNA折纸疫苗平台DoriVac，在人类扁桃体类器官模型中引发针对猴痘抗原的免疫细胞激活，并用于治疗SARS-CoV-2、HIV和埃博拉，在临床前研究中达到与领先mRNA疫苗平台相当的免疫应答。
在膜相关治疗方面，Yu等人开发了基于DNA的溶酶体靶向嵌合体（LYTAC），通过交替适配体结合致病蛋白（如PD-L1或VEGFR2）和溶酶体靶向受体IGF2R，将致病蛋白引导至溶酶体降解，增强T细胞活性并减少肿瘤细胞增殖。Spratt等人开发了棒状胰岛素-DNA折纸纳米结构（NanoRod），靶向脂肪细胞膜上的胰岛素受体（IR）纳米结构域，胰岛素价数和空间组织决定IR激活和下游转录应答，并在斑马鱼糖尿病模型中降低游离葡萄糖水平。Sun等人开发了基于DNA折纸的细胞接合器平台（Dor-CE），在同一支架上以受控价数和空间排列展示靶向肿瘤抗原和免疫细胞受体的抗体，桥接肿瘤细胞和T细胞或自然杀伤细胞，促进免疫细胞激活，在体外提高对EGFR表达肿瘤的靶向性，并在小鼠模型中抑制实体肿瘤生长。
三、关键技术方法
研究人员综述中涉及的关键技术方法主要包括：DNA折纸技术，利用长单链支架通过短订书钉链折叠成预定形状；变构DNA开关设计，通过燃料链和反燃料链实现适配体可逆暴露；刺激响应组装策略，利用pH、光和酶活性触发DNA纳米结构胞内组装；RNA纳米结构基因编码与共转录折叠技术，包括RNA瓦片和分支RNA纳米星设计；荧光RNA适配体-染料对系统用于多重成像；DNA逻辑门和链置换反应网络用于分子计算和生物传感；DNAzyme催化放大策略；以及基于DNA纳米结构的靶向递送和膜受体调控平台。
四、讨论与结论
在综述所涵盖的应用中，体外开发的结构和功能工程能力正被转化到细胞内和细胞周围发挥作用。DNA和RNA两种方法提供互补优势：DNA具有更大的结构和化学可编程性，但必须外部递送；而RNA可以在局部表达。将RNA纳米结构表达与调控通路整合是未来工作的明确目标，因为自然机制与合成机制之间更紧密的耦合可能解锁细胞和代谢工程的新能力。表达的RNA构建体还可以作为内部细胞过程和外部递送DNA结构之间的可编程接口，融合两种方法的优势。体外核酸纳米技术已经将结构控制与信息处理功能（如传感、信号转导和计算）相结合。将这些功能带入细胞内——例如将合成RNA区室与可接口内源通路的调控RNA回路配对——将实现细胞工程的整体策略，其中细胞状态和外部信号驱动结构重组并触发下游响应。这些努力很可能塑造体内核酸纳米技术近期的发展方向。
研究结论表明，核酸纳米技术作为合成细胞机器、细胞内诊断传感器和靶向治疗平台的潜力正在快速实现。DNA和RNA纳米结构各自提供独特的优势，整合两种方法的能力将是未来发展的关键方向。尽管治疗领域目前由外源组装的DNA纳米结构主导，基因编码的治疗性RNA纳米结构仍受限于细胞内表达、折叠、稳定性、生物分布和功能等挑战。克服这些障碍，同时提高纳米结构稳定性、递送效率和免疫相容性，对于临床转化至关重要。
