核酸功能化金纳米探针在活细胞荧光成像方面的应用
发布时间：2021-07-04 18:18
荧光标记的核酸功能化金纳米探针结合了纳米材料与核酸技术的优势,具有增强的稳定性、良好的生物相容性、独特的光学性质及精确的可编程性,开辟了活细胞传感的新纪元.信号放大型的核酸功能化金纳米探针在原位检测含量较低但功能强大的RNA、蛋白质等生物标志物方面尤其表现出明显的优势.本文从活细胞成像分析的角度,重点介绍了荧光标记的核酸功能化金纳米探针的性质、设计原理及应用进展.
【文章来源】：中国科学:化学. 2020,50(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
FRET纳米探针用于活细胞内pH值的传感[76].(a)双荧光团标记的i-motif纳米探针的原理图.(b)不同pH值介质中的HeLa细胞的共聚焦图片(网络版彩图)
分裂式DNA酶(split DNAzyme)是DNAzyme的一个分支,包含一些局部酶片段,这些片段本身都没有活性,但可以在目标物或其他物质的推动下进行组合.组装后的分裂式DNAzyme具有催化活性,能够识别并切断底物链.与经典的DNAzyme相比,分裂式DNA酶具有更高的通用性和功能性.最近,Wang等[84]设计了一种基于分裂式DNAzyme的AuNP/DNA探针,用于活细胞内miRNA的荧光成像(图6(a)).两条分裂式DNA-zyme片段分别与AuNP表面的底物链杂交,底物链上标记的荧光团被淬灭.目标miRNA能够辅助上述功能性核酸链形成活性二级结构,催化基底链断裂,输出荧光信号.同时,被释放的miRNA会自动转移到临近的DNAzyme片段上,不断循环作用产生放大的荧光信号.适配体(aptamer)与DNA酶(DNAzyme)嵌合产生了一类新型的核酸酶分子,称为适体酶(aptazyme).其中,适配体区域的目标物识别事件可以转化成DNA酶的激活,进而产生可检测的光学信号.2016年,Wang等[10]报道了第一个用于活细胞内ATP传感的AuNP/aptazyme纳米复合物.如图6(b)所示,aptazyme与ATP的特异性结合促进了DNA活性二级结构的形成.活化后的aptazyme在Mg2+的辅助下催化底物链断裂,进而导致标记有荧光团的底物链片段与aptazyme链解链,并远离AuNP表面.被释放的活性aptazyme链可以进一步催化其他基底链断裂,实现了荧光信号的扩增.实验结果表明,aptazyme功能化的金纳米探针具有更高的灵敏度,检测限比基于aptamer的传统型ATP传感器高出2～3个数量级.目前,基于DNAzyme催化扩增的核酸纳米探针已经被广泛用于活细胞内金属离子[81,85,86]、RNA[83,87,88]、蛋白质[89]、小分子[10]等多种分析物的灵敏成像与检测.
核酸功能化金纳米探针进行生物传感和成像的前提是,它们能够在细胞和血液等复杂环境中保持稳定.首先,探针必须在酶和核酸酶环境中稳定存在足够长的时间,这样才有可能实现预期的功能.多项研究表明,修饰在金纳米结构表面的DNA分子比自由的DNA分子具有更好的核酸酶抗性,探针被降解的程度在可接受的范围之内[41,53～55].Mirkin课题组[56]和Olvera de la Cruz课题组[57]都对这一现象的原理进行了研究,他们认为局部高盐、DNA周围高浓度的二价离子以及DNA被限制在金纳米颗粒表面等因素共同导致酶促降解效率的下降.此外,Au–S键的稳定性也是需要研究的重要内容,因为探针中的Au–S键可能遭受生物体内硫醇类物质(如谷胱甘肽等)的置换.Wang等[58]用荧光法研究了GSH对AuNP/DNA探针Au–S键稳定性的影响.结果显示,在12 h内,AuNP表面的DNA链被非特异性释放的速度非常缓慢.而Mirkin等[53]的研究表明,即使探针与较高浓度的GSH孵育48 h,仍然有超过60%的DNA链稳定地连接在金纳米颗粒表面.
本文编号：3265294
【文章来源】：中国科学:化学. 2020,50(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
FRET纳米探针用于活细胞内pH值的传感[76].(a)双荧光团标记的i-motif纳米探针的原理图.(b)不同pH值介质中的HeLa细胞的共聚焦图片(网络版彩图)
分裂式DNA酶(split DNAzyme)是DNAzyme的一个分支,包含一些局部酶片段,这些片段本身都没有活性,但可以在目标物或其他物质的推动下进行组合.组装后的分裂式DNAzyme具有催化活性,能够识别并切断底物链.与经典的DNAzyme相比,分裂式DNA酶具有更高的通用性和功能性.最近,Wang等[84]设计了一种基于分裂式DNAzyme的AuNP/DNA探针,用于活细胞内miRNA的荧光成像(图6(a)).两条分裂式DNA-zyme片段分别与AuNP表面的底物链杂交,底物链上标记的荧光团被淬灭.目标miRNA能够辅助上述功能性核酸链形成活性二级结构,催化基底链断裂,输出荧光信号.同时,被释放的miRNA会自动转移到临近的DNAzyme片段上,不断循环作用产生放大的荧光信号.适配体(aptamer)与DNA酶(DNAzyme)嵌合产生了一类新型的核酸酶分子,称为适体酶(aptazyme).其中,适配体区域的目标物识别事件可以转化成DNA酶的激活,进而产生可检测的光学信号.2016年,Wang等[10]报道了第一个用于活细胞内ATP传感的AuNP/aptazyme纳米复合物.如图6(b)所示,aptazyme与ATP的特异性结合促进了DNA活性二级结构的形成.活化后的aptazyme在Mg2+的辅助下催化底物链断裂,进而导致标记有荧光团的底物链片段与aptazyme链解链,并远离AuNP表面.被释放的活性aptazyme链可以进一步催化其他基底链断裂,实现了荧光信号的扩增.实验结果表明,aptazyme功能化的金纳米探针具有更高的灵敏度,检测限比基于aptamer的传统型ATP传感器高出2～3个数量级.目前,基于DNAzyme催化扩增的核酸纳米探针已经被广泛用于活细胞内金属离子[81,85,86]、RNA[83,87,88]、蛋白质[89]、小分子[10]等多种分析物的灵敏成像与检测.
核酸功能化金纳米探针进行生物传感和成像的前提是,它们能够在细胞和血液等复杂环境中保持稳定.首先,探针必须在酶和核酸酶环境中稳定存在足够长的时间,这样才有可能实现预期的功能.多项研究表明,修饰在金纳米结构表面的DNA分子比自由的DNA分子具有更好的核酸酶抗性,探针被降解的程度在可接受的范围之内[41,53～55].Mirkin课题组[56]和Olvera de la Cruz课题组[57]都对这一现象的原理进行了研究,他们认为局部高盐、DNA周围高浓度的二价离子以及DNA被限制在金纳米颗粒表面等因素共同导致酶促降解效率的下降.此外,Au–S键的稳定性也是需要研究的重要内容,因为探针中的Au–S键可能遭受生物体内硫醇类物质(如谷胱甘肽等)的置换.Wang等[58]用荧光法研究了GSH对AuNP/DNA探针Au–S键稳定性的影响.结果显示,在12 h内,AuNP表面的DNA链被非特异性释放的速度非常缓慢.而Mirkin等[53]的研究表明,即使探针与较高浓度的GSH孵育48 h,仍然有超过60%的DNA链稳定地连接在金纳米颗粒表面.
本文编号：3265294
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