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自递送DNA纳米探针用于活细胞microRNA成像

注:文末有课题组简介及本文作者科研思路分析


MicroRNAs (miRNAs) 是一类21-22个碱基长度的内源性非编码单链RNA,其在细胞中的异常表达和癌症等多种疾病密切相关,是一种重要的肿瘤标志物。因此,高灵敏、高选择性地检测miRNAs,对癌症的早期诊断和治疗具有重要意义。然而,传统的DNA荧光探针难以穿过细胞膜且易被酶降解,如何实现DNA荧光探针的有效递送成为活细胞内高效检测miRNAs的关键。近年来,DNA纳米技术迅猛发展,为提高核酸及小分子药物递送体系的生物稳定性和细胞摄取效率提供了很多新的研究思路。


近日,南方科技大学田雷蕾教授(点击查看介绍)课题组和澳门大学张宣军教授(点击查看介绍)课题组基于DNA纳米技术和芘分子设计了一种自递送Y型DNA纳米探针,实现了对活细胞中microRNA分子的高特异性和高灵敏度成像。芘分子是一种特殊的空间敏感性荧光染料:芘单体在375 nm和400 nm处有两个特征发射峰;而当两个芘分子发生π-π堆叠时会形成激基复合物,在480 nm处具有荧光特征发射峰。因此我们设计了一种芘分子修饰的Y型DNA纳米探针,通过三个方向识别靶分子miRNA后,芘激基复合物的形成在480 nm处产生荧光信号,而无靶分子时仅有芘单体的荧光信号,这样通过芘激基复合物和芘单体的荧光信号比率对miRNA进行高灵敏及高特异性检测。


Y型DNA纳米探针由三条ssDNA(链Y-1修饰两个芘分子,链Y-2修饰一个芘分子)自组装构建。首先通过DNA合成仪利用亚磷酰胺化学法合成氨基修饰的ssDNA,随后通过固相“点击反应”合成芘分子修饰的ssDNA,聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)实验结果表明了芘分子修饰的ssDNA的合成成功和Y型DNA纳米探针的高效构建。


该芘分子修饰的Y型DNA纳米探针具有自递送优势可直接进入细胞,且由于特殊的空间结构使其具有良好的抗酶降解能力,成功实现了活细胞中microRNA的高灵敏及高选择性成像。该探针在识别靶分子miRNA后可形成更大的树枝状结构,不仅增加了荧光信号响应,而且进一步增强了其生物稳定性,同时避免了因酶降解引起的假阳性结果。此外,由于DNA自身的可编程性,可将Y型DNA纳米探针的miRNA识别序列替换为和不同靶分子互补的序列,从而实现针对多种miRNAs的高效检测,表现了该设计方法的通用性。该策略可提高细胞成像的准确度和空间分辨率,为基于DNA纳米探针的生物应用提供了新的设计思路。


这一成果近期发表在Chemical Communications 上,文章的第一作者为南方科技大学和澳门大学联合培养博士研究生陈哲,通讯作者为田雷蕾教授和张宣军教授。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Self-delivery DNA Nanoprobe for Reliable MicroRNA Imaging in Live Cell by Aggregation Induced Red-shift-Emission

Zhe Chen, Jingxiong Lu, Fan Xiao, Yishun Huang, Xuanjun Zhang, Leilei Tian

Chem. Commun., 2020, 56, 1501-1504, DOI: 10.1039/C9CC08093G


田雷蕾副教授简介


田雷蕾博士,研究员,主要研究领域为制备功能性纳米材料及超分子自组装材料,并开发其在细胞成像、传感检测、诊断治疗等方面的生物医用应用潜力,是材料学、化学、生物学等多学科交叉的前沿课题。田雷蕾博士近年来在J. Am. Soc. Chem., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., ACS Nano, Anal. Chem.等本领域知名期刊发表论文40篇,主持国家自然科学基金、深圳市基础研究项目等数项,为深圳市孔雀团队骨干成员。


田雷蕾

https://www.x-mol.com/university/faculty/65932

课题组主页

http://faculty.sustech.edu.cn/tianll/


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,肿瘤标记物的高灵敏和高特异性检测对癌症的早期诊断和治疗具有重要意义,我们的目的是设计提高检测探针的生物相容性,生物稳定性和有效递送效率。我们组从事DNA合成修饰,而DNA纳米技术及DNA自身的物理化学性质提供了理想的递送载体,于是我们产生了利用DNA纳米结构设计荧光探针以高灵敏、高选择性检测miRNA。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A: 遇到的困难是芘分子修饰的ssDNA的合成和纯化,尤其是将一条ssDNA在3'端和5'端同时修饰芘分子。开始利用普通的液相“点击反应”产率较低,最后通过采用固相“点击反应”并优化反应条件成功提高了反应产率,并使用高效液相色谱仪(HPLC)分离提纯得到芘分子修饰的ssDNA。


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