國家納米科學中心JACS：近紅外光操控的DNA納米機器實現細胞和動物中microRNA的“時-空”可控的精準成像

【引言】

納米機器/器件具有用于檢測活細胞中microRNA（miRNA）的智能傳感的潛力。然而，“始終開啟”型檢測體系提供的時空分辨率通常不足以實現精確操縱的miRNA傳感。本項工作中，研究人員使用DNA納米技術構建了一種可激活的DNA納米機器，用于在細胞和活體水平檢測miRNA，并具有近紅外光的高空間和時間精度。該納米機器是通過在上轉換納米粒子（UCNPs）表面上裝載合理設計的分子信標而構建。作為在近紅外窗口中操作納米機器的能量轉換器，UCNPs吸收可穿透深部組織的近紅外光并局部發射高能紫外光，從而遠程激活分子信標的傳感功能。納米機器可以自然地進入細胞并且能夠通過在選定的地點和時間的近紅外光照射來遠程調節其對活細胞中的miRNA的熒光成像活性。此外，研究人員證明納米機器可以拓展到活體小鼠體內miRNA的可激活精準成像。這項工作表明了DNA納米機器/器件在高時空分辨檢測miRNA的潛力，將廣泛用于精確生物和醫學分析。

【成果簡介】

DNA分子已成為分子機器設計的優秀底物，可感知外部信號并激活和執行高度復雜的任務。由于其有效的細胞攝取，DNA納米技術已被用于生物傳感和成像以及藥物遞送。特別是，DNA探針已經被設計用于活細胞中microRNA（miRNA）的特異性檢測，可為生物學研究、醫學診斷和疾病治療提供有價值的信息。盡管取得了持續的進展，但大多數傳感體系處于“始終開啟”狀態，通過被動性與miRNA相互作用而進行檢測，導致低的檢測準確性。開發具有高時空分辨率的miRNA分析和成像方法仍然是一個挑戰。

近日，國家納米科學中心的李樂樂研究員（通訊作者）在J. Am. Chem. Soc.上發表了一篇題為 “A NIR Light Gated DNA Nanodevice for Spatiotemporally Controlled Imaging of MicroRNA in Cells and Animals”的文章。研究人員報道了一種新型DNA納米機器的構建，該器件將巧妙設計的光激活型分子信標與上轉換發光納米技術相結合，實現了近紅外光控制的活細胞和動物中miRNA的精準成像。

【圖文導讀】

圖1 可激活型DNA納米機器的工作原理

（a）DNA分子信標的設計特征的示意圖；

（b）用于體內近紅外光激活的miRNA感測的DNA納米機器的示意圖。

圖2 分子信標PBc的紫外光激活的miRNA傳感性能

（a）PBc和Bc探針在紫外光照射和非照射條件下對miR-21熒光光譜響應；

（b）光照時間對PBc傳感功能的影響；

（c）PBc在紫外光照射和非照射條件下對不同濃度miR-21的響應；

（d）PBc在紫外光照射下對不同miRNA的熒光響應。

圖3 PBc-UN的表征

?

（a）HAADF-STEM成像證明UCNPs由核-殼結構組成；

（b） 980 nm激發下UCNPs和PBc-UN的上轉換發光光譜。

圖4 PBc-UN納米器件對活細胞中miR-21的可控檢測

（a）PBc-UN納米器件在近紅外光照射和非照射條件下的HeLa細胞的共聚焦熒光圖像；

（b）PBc-UN和Bc-UN納米器件在照射和非照射條件下對HeLa細胞內miR-21的傳感的流式細胞計數；

（c）對（b）中流式細胞數據的定量。

圖5 PBc-UN納米機器監測細胞內miR-21的波動

（a） PBc-UN納米器件在NIR光照條件下對經miR-21抑制劑和miR-21激活劑預處理的HeLa細胞的共聚焦熒光圖像；

（b）對（a）細胞中探針熒光信號的流式細胞計數；

（c）對比qPCR相對定量數據和（b）中流式定量數據，表明PBc-UN納米器件可對細胞內miR-21表達水平精準檢測。

圖6 PBc-UN納米器件對miR-21在不同細胞系中表達量的檢測

（a）PBc-UN納米器件在近紅外光照射條件下對不同細胞的共聚焦熒光圖像；

（b）對（a）細胞中熒光信號的流式細胞計數；

（c）對比qPCR相對定量數據和（b）中流式定量數據。

圖7 瘤內注射PBc-UN納米器件實現在活體水平對miRNA靈敏成像檢測

（a）PBc-UN納米器件經腫瘤原位注射方式遞送到腫瘤，在近紅外光照射和非照射條件下對HeLa荷瘤小鼠細胞內miR-21熒光成像檢測；

（b）對（a）中腫瘤部位熒光強度的相對定量。

圖8 PBc-UN納米器件通過EPR效應富集到腫瘤，并對腫瘤內miRNA靈敏成像檢測

（a）PBc-UN納米器件經尾靜脈注射方式富集到腫瘤，并在近紅外光照射和非照射條件下實現對HeLa荷瘤小鼠細胞內miR-21熒光成像檢測；

（b）對（a）中腫瘤部位熒光強度的相對定量；

（c）小鼠離體器官和腫瘤組織熒光成像；

（d）對（c）中離體器官和腫瘤組織熒光成像統計分析。

【結論和展望】

研究人員設計并構建了一種新型DNA納米器件/機器，通過將UV光響應的分子信標與用作NIR-UV轉換器的UCNPs相結合，實現了在細胞和活體水平對miRNA時空分可控的精準檢測。該工作展示了智能型DNA納米器件在microRNA等腫瘤標志物精準檢測方面的潛力，極大的擴展了精確生物分析的工具箱。近紅外光激活的miRNA分析方法對于人類疾病，特別是癌癥的診斷具有重要意義。

文獻鏈接： A NIR Light Gated DNA Nanodevice for Spatiotemporally Controlled Imaging of MicroRNA in Cells and Animals (J. Am. Chem. Soc.，2019，DOI: 10.1021/jacs.9b01931)

本文由水手供稿。