功能化DNA水凝膠在生物傳感領域的應用研究進展綜述

DNA水凝膠是由DNA交聯聚合物骨架或純DNA模塊自組裝形成的親水性聚合物網絡。DNA水凝膠具有良好的生物相容性、可降解性、穩定性和力學性能，引起了人們的廣泛關注。特別地，基于可編程DNA組裝或降解反應可發展高靈敏的生物傳感方法。隨著核酸擴增技術的發展及納米材料的整合應用，研究人員已開發出多種功能化DNA水凝膠并用于各類分子的檢測分析。

據麥姆斯咨詢報道，近期，蘇州醫工所繆鵬研究員課題組受邀撰寫了題為“Programmable DNA hydrogels construction with functional regulations for biosensing applications”的綜述性論文。該綜述對DNA水凝膠的組裝原理和功能化策略進行了介紹，描述了其親水性、生物相容性、生物降解性、可編程性、可調節的刺激反應和機械特性等優點，并系統性地回顧了基于DNA水凝膠相變的信號發生機制。

此外，該綜述重點介紹了近年來DNA水凝膠應用于熒光、比色、電化學、SERS生物傳感方面的代表性工作，討論了針對小分子、離子、蛋白質、核酸、細胞等不同類型靶標的檢測策略。最后，該綜述對DNA水凝膠生物傳感應用面臨的挑戰和前景進行了展望（圖1）。該論文已發表在Trends in Analytical Chemistry期刊上。論文第一作者為嚴承宇，通訊作者為繆鵬研究員。

圖1功能化DNA水凝膠的制備及生物傳感應用

DNA水凝膠可以通過化學（例如希夫堿和硼酸酯鍵）或物理相互作用（例如氫鍵和π-π相互作用）組裝形成。在合成過程中主要涉及兩種策略，包括雜化DNA水凝膠和純DNA水凝膠。

其中，雜化DNA水凝膠通常采用聚丙烯酰胺等聚合物、多肽、納米管或氧化石墨烯等作為骨架，DNA作為交聯劑和可切換元件，具有很好的強度、適應性和通用性。通過特定核酸序列的設計能夠使DNA水凝膠響應pH等環境或分子刺激，產生可調節的相變狀態與信號，從而作為一種優良的生物功能材料應用于生物傳感領域（圖2）。

圖2雜化DNA水凝膠的構建策略及環境分子響應

而以DNA鏈作為水凝膠的骨架和交聯鏈的純DNA水凝膠則具有高度的可編程性、更好的生物相容性和可降解性。形成的三維網絡可以由多個具有重復序列的構建模塊（例如支鏈雙鏈DNA、X形DNA或Y形DNA）與單鏈DNA粘性末端組成；另一方面，也可以通過雜交鏈式反應（HCR）、聚合酶鏈式反應（PCR）、滾環擴增反應（RCA）等核酸擴增技術直接制備（圖3）。

圖3 純DNA水凝膠的構建策略

通過將DNA水凝膠針對外界刺激的響應或對目標分子的識別事件轉化為機械、聲學、光學和電信號等，可發展出一系列高靈敏的生物傳感方法及集成裝置，為體外和在體各類分析物的定性和定量檢測提供有力的解決方案。本綜述中分別討論了近年來基于DNA水凝膠發展的重金屬離子、毒素分子、酶、蛋白質、核酸、細胞等的檢測方法。

圖4 （A）基于DNA水凝膠的Pb2?毛細管傳感器示意圖；（B）基于電極表面HCR組裝DNA水凝膠的Hg2?阻抗傳感策略示意圖



圖5（A）用于Dam活性分析的DNA水凝膠基POCT裝置開發示意圖；（B）基于Cas14a裂解DNA水凝膠的CK-MB檢測系統原理示意圖

隨著DNA水凝膠在生物傳感領域的應用范圍不斷擴大，一些亟待解決的挑戰涌現出來。首先，與其他聚合物相比，DNA分子的成本相當高。常用的“1：1”識別策略需要在水凝膠中加入大量的反應單元。為了以低成本、高效益的方式實現大規模應用，可以進一步開發雜化DNA水凝膠，并整合“1：n”信號放大策略。

此外，水凝膠的緩慢傳質限制了反應速度，對低豐度和微量樣品的反應靈敏度也有待提高。其次，考慮到基于DNA水凝膠的生物傳感器可能的應用場景，應提高DNA水凝膠在復雜環境基質中的穩定性及其對惡劣環境條件的耐受性。最后，DNA水凝膠顆粒、微凝膠、微針陣列、微流控芯片等微系統的研究有助于實現快速、便攜、靈敏和低成本的目標分子檢測，可應用于POCT、可穿戴和可植入傳感領域。隨著DNA納米技術的發展，更深入的研究有望解決目前存在的問題，提高分析性能，擴大生物傳感的應用范圍。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117628



審核編輯：劉清