张晓兵/李乐乐团队《Angew》：小空间大智慧-空间限域DNA纳米笼用于生物逻辑成像

BioMed科技 · 公众号 · · 2025-02-12 20:55

正文

DNA分子因其优异的可编程性和生物相容性，可被精确设计成具有特定尺寸和结构的纳米载体。这些载体不仅表面可功能化，其内部也具备可修饰位点，使其成为细胞内成像探针和药物递送的理想平台。然而，DNA自身无法穿透细胞膜，且在生物环境中稳定性较差，这限制了其在活细胞中的直接应用。为此，研究人员通常借助额外的纳米递送系统以实现DNA纳米载体的细胞内递送。现有的递送系统仍面临两大挑战：一是探针释放效率不理想，影响传感性能；二是释放后的游离探针易受核酸酶降解，导致功能丧失。这些问题严重制约了DNA纳米载体在活细胞中的应用效果。因此，开发一种能够克服上述缺陷、兼具稳定性和高效性的核酸探针检测系统，已成为当前研究的迫切需求。

近期， 湖南大学 张晓兵教授 与 国家纳米中心 李乐乐研究员 通过将可激活的DNAzyme传感器（mDz）可控限制在DNA纳米笼的空腔中（C-mDz），从而实现对DNAzyme的空间保护，提高其用于miRNA和金属离子逻辑门控分子成像的精度和生物稳定性（图1）。相关工作以“Spatial Confinement of a Dual Activatable DNAzyme Sensor in the Cavity of a DNA Nanocage for Logic-Gated Molecular Imaging”为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 。

图1. （a）C-mDz的设计和响应机制，（b） C-mDz纳米系统用于活细胞中miR-21和Zn ²⁺ AND门控成像。

首先，作者成功构建了C-mDz纳米系统，并验证了其AND门控设计的有效性。通过实验评估了C-mDz对miR-21和Zn²⁺浓度的依赖性响应，证实了该系统能够实现对两种目标分子的特异性识别和协同激活。随后，作者进一步研究了C-mDz在活细胞中的逻辑门控分子成像能力。实验结果显示，在添加锌离子载体（如锌吡啶酮）的条件下，miR-21高表达的MCF-7细胞中观察到显著的荧光信号，而miR-21低表达的L02细胞则无明显响应（图2）。这一结果不仅验证了C-mDz在miR-21激活下对Zn²⁺的高效传感能力，还证明了其在活细胞中实现逻辑门控分子成像的可行性。

图2. C-mDz用于活细胞中的逻辑门控分子成像

随后，作者验证了空间封装设计对提高DNAzyme稳定性的重要作用。研究中以纳米笼外锚定的C-mDz-out作为对照，评估了C-mDz在10%胎牛血清中的抗酶切能力。结果表明，C-mDz的稳定性显著优于C-mDz-out（图3a，b），证实了空间封装设计能够有效保护DNAzyme免受核酸酶降解。得益于其优异的稳定性，C-mDz在细胞成像应用中表现出更低的背景信号（图3c-e）和更高的信噪比（图3c，d，f）。这些实验结果充分证明，空间封装设计不仅显著增强了DNAzyme的稳定性，还大幅提升了其在细胞内分子成像中的精度和可靠性，为基于DNAzyme的生物传感和成像技术提供了重要的优化策略。

图3. C-mDz的生物稳定性评价

接着，作者进一步评估了C-mDz在活细胞中用于靶标动态成像的能力。通过精确调控细胞内miR-21和Zn²⁺的水平，实验证实C-mDz能够实时监测活细胞中双靶标的动态波动（图4a-d）。这一结果表明，C-mDz不仅具备高灵敏度和特异性，还能够实现对复杂生物过程的动态追踪。此外，研究还发现，胞质Zn²⁺的积累和线粒体Zn²⁺的超载是星形胶质细胞在缺血过程中的关键表现（图4f）。这一发现为理解缺血相关细胞机制提供了新的视角，同时也凸显了C-mDz在揭示细胞动态生理和病理过程中的重要应用潜力。

图4. C-mDz用于活细胞中的靶标动态监测

最后，作者评估了C-mDz在活体内的成像性能。实验首先证实，与C-mDz-out相比，C-mDz在MCF-7荷瘤裸鼠模型中表现出更高的生物稳定性（图6a-c），进一步验证了空间封装设计在提升DNAzyme稳定性方面的优势。随后，以C-nmDz和C-mnDz纳米系统为对照，作者验证了C-mDz在活体内可激活的分子传感和成像能力。结果表明，C-mDz不仅能够在体内实现目标分子的特异性识别，还展现出显著的成像信号，凸显了其在活体分子传感和成像中的应用潜力。这些发现为基于DNAzyme的纳米系统在活体诊断和治疗中的进一步开发提供了重要的实验依据。

图5. C-mDz的体内成像性能

总之，研究团队通过将双激活DNAzyme传感器封装在DNA纳米笼腔内，成功开发了一种用于microRNA和金属离子AND门控成像的智能纳米系统。该设计利用DNA纳米笼的空间限域效应，有效阻止核酸酶的接近，同时允许靶标分子自由进入，从而显著提高了系统的生物稳定性和成像精度。这种兼具自递送和自保护功能的纳米系统设计模式，不仅解决了传统DNA纳米传感器在活体应用中面临的稳定性和效率问题，还为DNA纳米技术在生物医学领域的进一步应用提供了创新思路和重要参考。

【 通讯作者介绍 】

李乐乐： 中国科学院国家纳米科学中心，研究员，博士生导师。2010年于北京大学获博士学位，导师为严纯华院士。2010-2012年在美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）进行博士后研究，合作导师为Yi Lu教授；2012-2016年麻省理工学院（MIT）和哈佛医学院（HMS）进行博士后研究，合作导师为Robert Langer院士和Daniel S. Kohane教授。2016年7月加入国家纳米科学中心。迄今以通讯作者在Nat. Biomed. Eng.，Nat. Commun.，PNAS，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等国际学术期刊上发表学术论文60余篇。

研究邻域：分子传感与分子成像；原位生物检测；纳米生物技术；疾病诊断。

张晓兵/李乐乐团队《Angew》：小空间大智慧-空间限域DNA纳米笼用于生物逻辑成像

正文

请到「今天看啥」查看全文