董海峰：ATP自驅動鏈置換級聯放大用於活細胞中多重microRNA成像

MicroRNA是一類非編碼的單鏈RNA(18-22nt)，作為廣泛存在於生物體內的生物標誌物，對於癌症等疾病的臨床診療有很重要的意義。活細胞中microRNA的熒光成像無疑是了解不同種類細胞中microRNA功能及表達動態的重要方法。對於低丰度microRNA來說，傳統的「單靶標——單觸發信號」直接成像模式靈敏度不足，因此高效的「單靶標——多觸發信號」的信號增強手段是這解決這一難題的重要策略。有研究者使用滾環擴增（rolling circle amplication，RCA）來提高靈敏度，但此方法需要通過複雜體系把酶或其它試劑傳送至細胞內。無酶的雜交鏈反應（hybridization chainreaction，HCR）用於microRNA成像的靈敏度則受限於能夠轉入胞內的探針數量。鏈置換級聯放大系統（strand-displacementcascade amplication，SDCA）雖然只需要單鏈核苷酸的觸發，但同樣需要運輸足量的外源DNA才能支撐反應的持續進行。

ATP是細胞內必需的生物分子，可以作為SDCA的觸發子，但內源性ATP數量十分有限。北京科技大學董海峰團隊設計了轉載有外源ATP的ATP-自驅動智能納米載體。硫化銅外塗覆有介孔二氧化硅，組合為可以封裝ATP的複合納米顆粒，封孔的「Y型」DNA結構由四條鏈組裝而成。由於二硫鍵的PH刺激響應性，在PH5.2的條件下，「Y」型DNA卸載，並且其中一條鏈解離形成遊離的三核酸，解鎖剩餘的「Y型」DNA，其上另一條鏈上同時具有靶microRNA識別序列、ATP適配體序列及熒光基團。靶microRNA結合後，熒光基團遠離猝滅基團而能夠發光，並且使ATP適配體序列暴露，結合ATP後，microRNA被剝離用以循環觸發反應。為了增加介孔二氧化硅中ATP的釋放率，利用硫化銅的光熱刺激效應，用980nm的近紅外激光進行照射，以提高靈敏度。使用具有不同microRNA識別序列和不同熒光基團的「Y」型DNA可以實現多重成像。

圖1.ATP-自驅動納米載體用於活細胞microRNA成像的示意圖

點評：

1.運用ATP作為SDCA的觸發子體現了功能核酸適配體對於核酸與非核酸物質間的關聯作用，這使得雙方的應用都得到拓展。

2.本研究中利用的ATP是細胞本身存在的物質，PH環境也是細胞本身的性質。「就地取材」的策略可以應用於其他複雜體系的分子檢測。

3.納米材料作為運載體時，裝載物的釋放率往往受限於裝載空間的尺度和對應的作用力，近紅外光對於部分納米材料的光熱效應可以作為改善這一問題的方式之一。

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Meng X, Dai W,Zhang K, et al. Imaging multiple microRNAs in living cells using ATPself-powered strand-displacement cascade amplification[J]. Chemical Science,2018.

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