南开大学郭玮炜《先进材料》DNA水/微凝胶在生物传感和医学的应用

【前沿背景】

DNA水凝胶利用了功能性DNA图案的独特特性，例如特异性分子识别，可编程和高精度组装，多功能性和出色的生物相容性，在过去的二十年中吸引了越来越多的研究兴趣，尤其是在生物传感和生物医学应用。智能DNA水凝胶通过改变其溶胀体积，交联密度以及光学或机械特性对外部刺激的响应性，促进了基于DNA水凝胶的体外生物传感系统和致动器的开发。此外，将DNA水凝胶的尺寸减小至微米和纳米级，可以提高响应速度和传递能力，从而使其成为快速检测，体内实时传感和药物释放应用的极佳候选者。先前，南开大学郭玮炜教授团队在该校成立100周年校庆之际总结了用于生物传感和生物医学应用的智能DNA水凝胶和DNA微凝胶的开发最新进展，并讨论了当前的挑战以及未来的前景。相关论文DNA Hydrogels and Microgels for Biosensing and Biomedical Applications发表在《Advanced Materials》上。

【图文解析】

1引言介绍

自1980年代以来，由于基于Watson-Crick碱基对的DNA链之间可预测和可编程的序列特异性杂交，DNA已被用作构建从纳米尺度到本体机制的人工结构的有前途的材料。此外，可以响应不同外部刺激（包括离子，小分子，蛋白质，核酸和细胞）的各种功能性DNA结构的发展，进一步促进了它们作为响应性材料构建中的强大基础。在各种基于DNA的响应材料中，DNA水凝胶和大小从纳米到微米的DNA水凝胶（称为DNA微凝胶）由于其在生物传感和生物医学应用中的巨大潜力而引起了特别的研究兴趣。水凝胶是含有大量水的3D交联亲水性聚合物网络，构造响应性聚合物主链或响应性交联单元是响应性水凝胶构造中的主要问题。要构建响应性DNA水凝胶，可将功能性DNA结构用作刺激响应单元或作为水凝胶的交联剂/骨架，或者将其捕获或修饰在聚合物水凝胶中。迄今为止，已经成功开发了两种DNA水凝胶：通过DNA自身交联形成的纯DNA水凝胶，以及通过掺入DNA的合成或天然聚合物链交联而形成的杂化DNA水凝胶。诸如Y形DNA或DNA Holliday接头等分支DNA结构的自组装以及DNA共聚物是通过简单的DNA杂交反应或动态DNA反应形成交联的DNA水凝胶网络来构建DNA水凝胶的简便方法，例如杂交链反应，或在酶的辅助下，例如滚环扩增（RCA）和聚合酶链反应。具有响应性的DNA图案对各种刺激具有刺激响应行为，以及最小的环境毒性和良好的生物相容性，DNA水凝胶是生物传感和生物医学应用中极有希望的“智能”平台。DNA微凝胶是胶体稳定的水凝胶，大小从几十纳米（也称为“纳米凝胶”）到微米，是另一种流行的DNA水凝胶材料。与块状水凝胶相比，DNA微凝胶在细胞表面表现出更快的刺激反应。由于其在肿瘤中的渗透性和保留效果增强，因此在微观水平上，DNA微凝胶具有纳米级的大小，因此更容易被动地靶向内部细胞和组织。此外，当用可以特异性识别并结合靶标的DNA（如适体）进行功能化时，DNA微凝胶能够通过特异性识别靶标细胞上的生物标记物来主动靶向细胞。因此，DNA微凝胶非常适合于体内生物传感，生物成像和受控药物输送应用。

2 DNA水凝胶

功能性DNA结构，例如适体，DNA酶和DNA机器，已广泛应用于构建用于生物传感和生物医学应用的智能DNA材料。具有功能性DNA结构的DNA水凝胶在生物传感和生物医学应用中是很有前途的材料，因为这种结合会在水凝胶和分析物之间引入其他界面。分析物的识别触发了DNA水凝胶的响应，并导致凝胶基质的物理化学性质发生变化，例如交联密度，体积或水凝胶的机械，光学或其他性质发生变化，可以进一步转导为用于感测的可检测信号，或可能导致某些药物释放以用于治疗应用。

2.1用于生物传感应用的DNA水凝胶

在水凝胶网络中用作非共价交联单位的分析物响应性DNA结构赋予水凝胶分子识别特性。DNA交联结构的被分析物触发的开口以及随之而来的凝胶网络的解离可以引发封装信号物质的释放，从而产生输出信号。Tan和他的同事首先证明了响应性DNA水凝胶从凝胶到溶胶的转变是一种可行的策略，用于控制释放包埋的Au纳米颗粒（NPs）（作为信号读出）来检测腺苷（图1A）。捕获能力还使DNA水凝胶成为封装催化物质的良好平台，催化物质释放后可进一步催化反应以产生放大的输出信号。研究人员通过使用其中包裹了酶，DNA酶或催化纳米材料的不同响应性DNA水凝胶，开发了基于溶胶-凝胶转变策略的各种比色视觉传感器和读出装置，用于不同种类的生物靶标，例如金属离子和葡萄糖。

图1基于DNA水凝胶的生物传感和控释策略的示意图。

对于共价交联的水凝胶，水凝胶网络的3D支架还提供了丰富的缀合位点，并使它们成为高效的固定基质，可在其上连接功能性DNA单元以设计生物传感系统。Liu和他的同事证明，共价交联的聚丙烯酰胺水凝胶可以用作连接Hg2+反应性DNA结构的平台，用于超灵敏地检测和去除Hg2+（图1B）。

基于DNA水凝胶对电极表面电子转移的阻碍作用，通过DNA杂交的靶触发水凝胶组装已用于电化学传感器的制造中。19因此，靶的浓度与可读性有关。电化学信号。Willner等人介绍了一种在涂有金的表面上组装DNA水凝胶的方法，由于DNA水凝胶的形成和解离引起的刚性变化，水凝胶修饰的电极具有受控的界面电子传递特性和电催化功能。桥接DNA单元（图1C）

也已经开发出可以对外部刺激进行可逆反应的形状记忆DNA水凝胶。Luo和他的同事首先开发了一种基于DNA水凝胶的超材料，其形状记忆效应是通过添加溶剂触发的。5通过光控DNA杂交可以实现DNA体积可逆的宏观变化。7通过引入两个不同的功能性DNA图案 ，双链DNA结构和pH响应性i-基序结构，Willner和同事开发了对外部pH变化响应的形状记忆DNA水凝胶（图1D）。

2.2用于生物医学的DNA水凝胶

纯净的DNA水凝胶具有很高的生物降解性和生物相容性，由于DNA序列的合成特性，对于生物医学应用来说是必不可少的。此外，高度可编程的DNA序列有助于将特定的治疗性寡核苷酸以及药物装载到水凝胶中，以进行免疫疗法，反义疗法和化学疗法。

上述DNA水凝胶感测或控释系统主要基于功能物质的固定化，所述功能物质是可以被水凝胶网络截留的纳米材料或聚合物，或者可以与DNA水凝胶支架结合的小分子。但是，大多数功能性分子，包括染料和药物，都是在DNA水凝胶网络中具有高渗透性的小分子。因此，小分子的控制释放仍然是一个挑战。最近，我们的小组开发了一种智能DNA水凝胶，其中脂质体既可作为交联剂，又可作为功能性小分子载体，用于控释（图1E）。

3 DNA微凝胶

如上所述，在与生物传感器和控释有关的应用开发中，本体DNA水凝胶已被证明是有前途的平台。然而，这些水凝胶对环境刺激的固有慢响应速率阻碍了其广泛的潜在应用，并且其体积大小是体内应用的另一个缺点。根据Tanaka–Fillmore理论，将DNA水凝胶的尺寸减小至纳米至微米级是“杀死两只鸟，用一块石头”的方法，可同时提高DNA水凝胶的响应速度及其在体内的适用性。

3.1用于生物传感应用的DNA微凝胶

由于其特异性和快速反应，大表面积以及适合体内研究的尺寸，建议在生物传感应用中使用超小型DNA水凝胶作为高度有前途的平台。2013年，Tan及其同事报道了一种花朵状的DNA纳米结构，该结构是通过在水溶液中通过滚环复制合成的长DNA链的自组装而制备的。通过合理设计滚环复制模板序列并与不同的荧光团整合，将这些新的DNA纳米花（通过水溶液中的链杂交或纠缠形成）用于基于荧光共振能量转移的多路细胞成像（图2A）。

图2A）多色荧光共振能量转移DNA纳米花的生物辅助序列独立自组装。B）用于检测核酸和葡萄糖的高效多功能pNIPAM/DNAzyme微凝胶。

将DNA探针连接到聚合物微凝胶颗粒上可以实现核酸的高灵敏度荧光检测，例如单个病毒DNA序列和microRNA。38Nielsen等。报道了在30 nm聚丙烯酰胺水凝胶NP凝胶中捕获的荧光适体传感器，可以将其传递到活酵母细胞中以测量细胞中腺嘌呤核苷酸的含量。最近，昨天团队开发了多功能聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM/DNAzyme微凝胶，将其作为可循环利用的生物传感催化剂（图2B）。

3.2用于药物递送和基因治疗的DNA微凝胶

DNA微凝胶由于能够将不同种类的生物分子，NP或小分子药物包裹在交联的多孔网络中而被广泛用作载体，DNA凝胶可以被动地靶向肿瘤细胞和组织。通过增强的通透性和保留作用，或通过功能性DNA（例如适体）与位于细胞上的靶分子的特异性结合来主动靶向细胞。所有上述优点表明，DNA微凝胶特别适用于细胞内药物传递。通过将适体掺入微凝胶中，上述DNA纳米花可以识别药物并将其输送到特定的癌细胞中，从而在靶细胞中诱导有效的细胞毒性，从而同时降低多药耐药性和副作用。最近，Zhang等人。报道了通过在异种移植肿瘤模型中释放Dox表现出良好的肿瘤靶向能力和有效治疗效果的大小可控和可自降解的DNA纳米花的制备方法。最近的另一项工作报道了一种简单的方法，即通过使用顺铂作为交联剂，制备大小可控制的DNA纳米凝胶，该凝胶既可以用作顺铂又可以用作Dox的药物载体。还通过组装RCA产生的长单链DNA来开发另一种类似茧形的DNA纳米凝胶，称为“ DNA纳米线”（图3A）。

图3A）刺激性的类似茧的DNA纳米线可控制药物的输送。B）用于靶向癌症治疗的长方体DNA–pNIPAM微凝胶。C）用于目标基因调控治疗的大小可控和GSH反应球形DNA纳米水凝胶。

DNA共聚物纳米凝胶也被用于药物递送。将热敏性pNIPAM和适体功能化的部分引入DNA微凝胶中使它们具有极高的温度敏感性，独特的靶向活性以及识别目标癌细胞进行智能药物递送的能力（图3B）。2015年，Li等通过杂交两种Y型单元和一个DNA连接单元的自组装，开发了大小可控的谷胱甘肽（GSH）反应球形DNA纳米水凝胶（图3C）。

3.3其他基于DNA微凝胶的生物医学应用

由于DNA微凝胶的独特特性，例如其高生物相容性，多孔网络，尺寸可控性，可分离性和可回收性，DNA微凝胶已被用于多种生物医学应用中。除上述应用外，还报道了DNA微凝胶作为纳米反应器和隔板的新候选者。Mazutis及其同事报道了一种微流体方法，可生产具有鸟巢结构的浓缩DNA NP，作为体外蛋白质合成和基因分离的有效模板，并且这些DNA NP在生产高拷贝数的物理分离基因方面表现出很高的效率。此外，DNA纳米凝胶也被证明是从水中去除疏水毒素的有效清除基质。与其他方法不同，这些仿生微凝胶依靠毒素与网络之间的相互作用以及体积转化来实现高效，快速的纯化。

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