活细胞内DNA纳米步行者及肿瘤细胞成像

来源：X一MOL资讯

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

肿瘤标志物早期诊断在肿瘤有效治疗过程中发挥着重要的作用。肿瘤细胞内生物标志物的可视化检测能够促进恶性肿瘤发生、发展及诊疗的研究，传统的检测技术，例如PCR等已经不能满足目前的需要。近日，福州大学的吴再生教授团队通过DNA设计，构建了一个纳米机器，可靶向进入肿瘤细胞内，并对肿瘤标志物进行可视化检测。 

目前肿瘤标志物的检测多停留在试管中，在活细胞内的检测仍面对诸多挑战，例如细胞内在化、探针稳定性、检测灵敏度等。基于核酸探针而发展起来的多功能纳米材料，由于其易于编程、生物相容性好、稳定性可调、可批量商业化合成，在生物医药、分析检测中具有极大的潜力，是目前生化分析、靶向给药等领域的研究热点。然而，而前报道的用于活细胞成像的核酸检测体系很难兼具细胞靶向性、高灵敏度、高细胞渗透率，限制了核酸纳米体系在细胞水平的检测应用。

福州大学吴再生教授团队通过开发一种多功能的纳米机器，提出了核酸探针在活细胞中成像的新方法。DNAzyme是一种可以特异性识别金属离子的核酸酶，通过引入一条锁链，将DNAzyme催化活性锁住，而锁链与检测目标互补杂交，以此将DNAzyme改进成为了一种可以对miRNA目标响应的检测探针。与此同时，为了解决细胞靶向性、提高细胞内在化水平，并强化探针在细胞内环境的稳定性，使用核酸组装了一个含有Y形结构的三角形骨架作为载体。在载体上可以结合三个DNAzyme探针和三个适配体。通过这种三个适配体的多价结合方式，可特异性识别肿瘤细胞的膜蛋白，提高了靶向性，增加了探针对肿瘤细胞的内在化水平。进入细胞后，miRNA与锁链特异性杂交，激活DNAzyme，以细胞内的Na+作为辅助，进行切割反应产生响应信号。值得注意的是，DNAzyme不需要蛋白酶的辅助，仅通过金属离子就可以发生自驱动的连续切割反应，很好地解决了传统检测体系依靠核酸蛋白酶进行信号放大的缺陷，同时兼顾了高检测灵敏度与高稳定性。

实验发现，该检测体系不仅具有优良的靶向性，其检测灵敏度也得到了很好的提高，检测限可以达到49 pM。这是由于：一方面多价的结合方式提高了探针的细胞内在化，另一方面DNA三角形底座拉近了三个DNAzyme探针的距离，使之能够更快的发生迁移、切割与信号转换。

这一成果发表在Analytical Chemistry 上，文章第一作者是福州大学博士研究生薛昌与伊利诺伊大学-香槟分校访问学者、湖南文理学院张松柏博士；吴再生教授与陆艺教授是通讯作者。

吴再生教授简介

分析化学博士，福州大学教授、博导，国家级青年人才，福建省高层次创业创新人才（百人计划），福建省闽江学者奖励计划特聘教授；能源与环境光催化国家重点实验室青年骨干，生物药光动力治疗技术国家地方联合工程研究中心与福建省肿瘤转移药物干预重点实验室骨干成员，福州大学肿瘤转移预警与预防研究所副所长。原985高校湖南大学研究生导师、化学生物传感与计量学国家重点实验室固定成员、加拿大麦克马斯特大学国际人才专项特聘博士后研究员、全国优秀博士学位论文提名作者。在功能核酸探针、核酸纳米器件及细胞和活体成像等领域发表SCI论文100多篇；其中，在Nat Commun (IF=11.8)、J Am Chem Soc (IF=14.7)、Angew Chem Int Ed (IF=12.2)与Nucleic Acids Res (IF=10.1) 等中科院JCR一区期刊SCI论文有60多篇。曾获福建省青年科技奖与湖南省化学化工会青年化学化工奖等奖项。入选过河南省高等学校特聘教授，担任过南非国家基金委员会基金评审专家与多种国际高质量期刊常年审稿专家、特邀撰稿人，是获得加拿大麦克马斯特大学Michael G. DeGroote国际人才重点专项基金的第一位中国学者（年度头条新闻与常年滚动新闻特访）。主持海外项目、国家级或其它级别项目10多项；是重大研究计划与重点项目等5项国家自科子课题负责人或骨干成员；实质性参与973计划及重大科学研究计划项目3项; 培养或联合培养硕博研究生40多名（含在校生）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/9534

http://chem.fzu.edu.cn/html/szdw/jsml/zgj/2017/09/25/774915ff-40ba-4606-bab8-3225bf115b28.html

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，首先针对目前生化分析主要停留在试管检测阶段的情况，将体外分析提高到细胞水平的分析，并解决传统细胞成像中的缺陷。其次，生物纳米机器本身存在于细胞中，例如细胞内的蛋白质马达可以沿着细胞骨架运载各种生物物质。以此作为启发，用核酸为材料在细胞内构造一个纳米级别的walker用于细胞成像。用DNAzyme作为walker的设计，是由于如上所述的优势，不需要蛋白酶的辅助，有利于活细胞中的反应。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本课题最大的挑战就是针对需要解决的问题，如何设计一个智能的检测体系，同时能够满足细胞靶向性、高灵敏度、高细胞渗透率及细胞内足够稳定。多功能的核酸检测体系设计复杂，需要巧妙的思路，避免多种核酸之间的干扰。其次是对DNA纳米walker运行机理的研究，需要设计多个实验，来验证DNAzyme按照设计的方案发生了行走。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：核酸纳米步行者在细胞内生物分子的分析与对病变细胞识别、疾病诊断等方面具有应用价值；最直接的是，该检测体系将肿瘤标志物进行可视化分析，为肿瘤标志物的试管中检测过渡到活细胞水平的检测提供了示范，推动了肿瘤分析的发展，为药物研发、疾病诊断试剂与生物试剂等研发部门提供了很好的借鉴思路。