注：文末有研究團隊簡介及本文
科研思路分析腫瘤標誌物早期診斷在腫瘤有效治療過程中發揮著重要的作用。腫瘤細胞內生物標誌物的可視化檢測能夠促進惡性腫瘤發生、發展及診療的研究，傳統的檢測技術，例如PCR等已經不能滿足目前的需要。近日，福州大學的吳再生教授（點擊查看介紹）團隊通過DNA設計，構建了一個納米機器，可靶向進入腫瘤細胞內，並對腫瘤標誌物進行可視化檢測。
目前腫瘤標誌物的檢測多停留在試管中，在活細胞內的檢測仍面對諸多挑戰，例如細胞內在化、探針穩定性、檢測靈敏度等。基於核酸探針而發展起來的多功能納米材料，由於其易於編程、生物相容性好、穩定性可調、可批量商業化合成，在生物醫藥、分析檢測中具有極大的潛力，是目前生化分析、靶向給藥等領域的研究熱點。然而，而前報道的用於活細胞成像的核酸檢測體系很難兼具細胞靶向性、高靈敏度、高細胞滲透率，限制了核酸納米體系在細胞水平的檢測應用。
福州大學吳再生教授團隊通過開發一種多功能的納米機器，提出了核酸探針在活細胞中成像的新方法。DNAzyme是一種可以特異性識別金屬離子的核酸酶，通過引入一條鎖鏈，將DNAzyme催化活性鎖住，而鎖鏈與檢測目標互補雜交，以此將DNAzyme改進成為了一種可以對miRNA目標響應的檢測探針。與此同時，為了解決細胞靶向性、提高細胞內在化水平，並強化探針在細胞內環境的穩定性，使用核酸組裝了一個含有Y形結構的三角形骨架作為載體。在載體上可以結合三個DNAzyme探針和三個適配體。通過這種三個適配體的多價結合方式，可特異性識別腫瘤細胞的膜蛋白，提高了靶向性，增加了探針對腫瘤細胞的內在化水平。進入細胞後，miRNA與鎖鏈特異性雜交，激活DNAzyme，以細胞內的Na+作為輔助，進行切割反應產生響應信號。值得注意的是，DNAzyme不需要蛋白酶的輔助，僅通過金屬離子就可以發生自驅動的連續切割反應，很好地解決了傳統檢測體系依靠核酸蛋白酶進行信號放大的缺陷，同時兼顧了高檢測靈敏度與高穩定性。
實驗發現，該檢測體系不僅具有優良的靶向性，其檢測靈敏度也得到了很好的提高，檢測限可以達到49 pM。這是由於：一方面多價的結合方式提高了探針的細胞內在化，另一方面DNA三角形底座拉近了三個DNAzyme探針的距離，使之能夠更快的發生遷移、切割與信號轉換。
這一成果發表在Analytical Chemistry 上，文章第一作者是福州大學博士研究生薛昌與伊利諾伊大學-香檳分校訪問學者、湖南文理學院張松柏博士；吳再生教授與陸藝教授是通訊作者。
原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面，或點此查看原文）：
Y-Shaped Backbone-Rigidified Triangular DNA Scaffold-Directed Stepwise Movement of a DNAzyme Walker for Sensitive MicroRNA Imaging within Living Cells
Chang Xue, Songbai Zhang, Congcong Li, Xin Yu, Changhe Ouyang, Yi Lu*, Zai-Sheng Wu*
Anal. Chem., 2019, 91, 15678-15685, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03784
吳再生教授簡介
分析化學博士，福州大學教授、博導，國家級青年人才，福建省高層次創業創新人才（百人計劃），福建省閩江學者獎勵計劃特聘教授；能源與環境光催化國家重點實驗室青年骨幹，生物藥光動力治療技術國家地方聯合工程研究中心與福建省腫瘤轉移藥物干預重點實驗室骨幹成員，福州大學腫瘤轉移預警與預防研究所副所長。原985高校湖南大學研究生導師、化學生物傳感與計量學國家重點實驗室固定成員、加拿大麥克馬斯特大學國際人才專項特聘博士後研究員、全國優秀博士學位論文提名作者。在功能核酸探針、核酸納米器件及細胞和活體成像等領域發表SCI論文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)與Nucleic Acids Res (IF=10.1) 等中科院JCR一區期刊SCI論文有60多篇。曾獲福建省青年科技獎與湖南省化學化工會青年化學化工獎等獎項。入選過河南省高等學校特聘教授，擔任過南非國家基金委員會基金評審專家與多種國際高質量期刊常年審稿專家、特邀撰稿人，是獲得加拿大麥克馬斯特大學Michael G. DeGroote國際人才重點專項基金的第一位中國學者（年度頭條新聞與常年滾動新聞特訪）。主持海外項目、國家級或其它級別項目10多項；是重大研究計劃與重點項目等5項國家自科子課題負責人或骨幹成員；實質性參與973計劃及重大科學研究計劃項目3項; 培養或聯合培養碩博研究生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：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？
A：如上所述，首先針對目前生化分析主要停留在試管檢測階段的情況，將體外分析提高到細胞水平的分析，並解決傳統細胞成像中的缺陷。其次，生物納米機器本身存在於細胞中，例如細胞內的蛋白質馬達可以沿著細胞骨架運載各種生物物質。以此作為啟發，用核酸為材料在細胞內構造一個納米級別的walker用於細胞成像。用DNAzyme作為walker的設計，是由於如上所述的優勢，不需要蛋白酶的輔助，有利於活細胞中的反應。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：本課題最大的挑戰就是針對需要解決的問題，如何設計一個智能的檢測體系，同時能夠滿足細胞靶向性、高靈敏度、高細胞滲透率及細胞內足夠穩定。多功能的核酸檢測體系設計複雜，需要巧妙的思路，避免多種核酸之間的干擾。其次是對DNA納米walker運行機理的研究，需要設計多個實驗，來驗證DNAzyme按照設計的方案發生了行走。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？
A：核酸納米步行者在細胞內生物分子的分析與對病變細胞識別、疾病診斷等方面具有應用價值；最直接的是，該檢測體系將腫瘤標誌物進行可視化分析，為腫瘤標誌物的試管中檢測過渡到活細胞水平的檢測提供了示範，推動了腫瘤分析的發展，為藥物研發、疾病診斷試劑與生物試劑等研發部門提供了很好的借鑑思路。
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