《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：DNA nanomachines for liquid biopsy: Programmable platforms for ultrasensitive detection and smart diagnostics
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•本文全面综述了用于液体活检的 DNA 纳米机器。•DNA 纳米机器被分为静态和动态类型。•DNA 框架、步行器和逻辑门实现了捕获、扩增和智能识别。•讨论了在 CTCs、ctDNA 和外泌体检测中的应用及未来展望。引言液体活检通过分析血液和尿液等生物流体中的相关生物标志物，实
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本文全面综述了用于液体活检的 DNA 纳米机器。
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DNA 纳米机器被分为静态和动态类型。
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DNA 框架、步行器和逻辑门实现了捕获、扩增和智能识别。
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讨论了在 CTCs、ctDNA 和外泌体检测中的应用及未来展望。
引言
液体活检通过分析血液和尿液等生物流体中的相关生物标志物，实现无创诊断和动态监测。与手术或针吸等有创组织活检方法相比，液体活检具有微创性，允许重复采样 [1], [2], [3], [4]。此外，鉴于肿瘤的空间异质性，组织活检采样受限于遗漏某些肿瘤区域的风险 [5]，而液体活检提供来自多个位点的集成信息，从而提高检测准确性 [6]。液体活检生物标志物包括循环肿瘤细胞 (CTCs) [7], [8], [9], [10], [11], [12]、循环肿瘤 DNA (ctDNA) [13], [14], [15], [16], [17] 和外泌体 [18], [19], [20], [21], [22]。CTCs 从原发肿瘤部位脱落，可通过血液传播并播种转移，但其在人体血液中的浓度极低，需要高效的富集方法。ctDNA 由短 DNA 片段组成，在肿瘤细胞周期的各个阶段主动分泌并释放到人体循环中。它可提供关于肿瘤早期的重要信息。由于 ctDNA 水平相对较低，开发用于扩增 ctDNA 信号的创新和高灵敏方法对于生物流体中 ctDNA 的检测至关重要。外泌体是细胞主动分泌的纳米级细胞外囊泡，直径范围为 30 纳米至 150 纳米 [23], [24], [25]。尽管超速离心是外泌体分离的金标准，但其耗时、操作复杂且劳动强度大。密度梯度离心 [26] 也存在这些局限性。替代方法，如免疫亲和捕获和微流控芯片 [27], [28], [29]，受到高成本的阻碍，并可能遭受非特异性结合或高背景信号的影响。这些挑战凸显了液体活检中需要新型分析策略。
DNA 纳米技术提供了一个有前景的平台，利用合成 DNA 的可编程性和精确的分子识别能力来应对这些挑战。这些独特性质使得构建多样化的纳米结构和纳米机器成为可能，并被广泛应用于生物传感 [30]。DNA 纳米结构是通过沃森 - 克里克碱基配对原则组装的二维 (2D) 或三维 (3D) 架构，代表性例子包括 DNA 折纸 [31], [32]、DNA 瓦片 [33], [34]、DNA 四面体 [35], [36], [37]、DNA 水凝胶 [38], [39] 和 DNA 复凝聚物 [40], [41]。DNA 纳米机器是利用相同碱基配对原则的功能设备，其功能体现在药物递送、分子计算和刺激响应检测（例如对光、电或 pH 信号的响应）中。更重要的是，DNA 纳米机器已从静态框架演变为能够执行复杂任务的动态系统，如逻辑门操作 [42], [43], [44] 和等温核酸扩增 [45], [46], [47]。这些正是解决上述低丰度问题所需的信号处理和扩增工具。
通过合理设计，DNA 纳米机器可以被赋予目标识别、信号扩增、信号转换和输出生成的能力。在本综述中，我们首先根据其结构和功能特征对 DNA 纳米机器进行分类，然后系统地综述了它们组装成识别装置、信号放大器和分子处理器用于液体活检检测的情况（图 1），最后讨论了剩余的挑战和未来的生物医学前景。
章节摘要
DNA 纳米机器的分类
DNA 纳米机器的构建依赖于 DNA 分子通过沃森 - 克里克碱基配对的可编程自组装。这一概念源于 Nadrian C. Seeman，他在 1982 年提出 DNA 连接体可以作为构建多样化纳米架构的结构积木 [48]。在过去的四十多年中，DNA 纳米技术发展成为一个分层设计范式。在基础层面，DNA 基元，如分支连接体、Y 型 DNA [49], [50]，
DNA 纳米机器在液体活检中的应用
液体活检目标的低丰度和异质性需要检测技术具有高特异性和高灵敏度。DNA 纳米机器凭借其可编程性和精确可控性，为解决这些挑战提供了有前景的工具。在第 2 节描述的多种 DNA 纳米机器中，有三类最广泛地被探索用于液体活检应用：基于 DNA 框架的纳米机器（包括四面体和折纸）作为捕获平台，
总结
液体活检通过检测循环生物标志物，实现微创的早期癌症诊断。然而，CTCs、ctDNA 和外泌体在生物流体中的低丰度需要高度特异和灵敏的检测方法。DNA 纳米机器凭借其可编程性和可控动力学，为此提供了一个多功能工具箱。它们被分为静态和动态类型：静态支架（四面体、折纸、瓦片和砖块）用于分子识别和
CRediT 作者贡献声明
Wenyu Sun：撰写 – 初稿。Jiajia Wang：调查。Chuanqi Yang：调查。Manman Cai：调查。Pengfei Wei：资源。Linlin Yang：撰写 – 审阅与编辑。
写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明
在工作准备期间，作者使用了 DeepSeek-V3.2 来协助语法检查和语言润色。所有输出均经作者人工审查和修订，作者对发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金（22204099）、山东省泰山学者计划（tsqn202312249）、山东省自然科学基金（ZR2024QB145, ZR2026QC1295, ZR2024QC251）、烟台市省级以上领军人才、山东省重点研发计划（2025CXPT036）以及山东省健康技术创新团队建设项目资助。
孙文宇|王家佳|杨传琦|蔡曼曼|魏鹏飞|杨琳琳
