纳米技术与生物传感器在医学研究领域的应用目前引起了广泛的关注，纳米技术的引入可以制备具有高特异度和高灵敏度的生物传感器，从而提高对生物分子检测的准确性和灵敏度，进一步可以实现对生物分子的高时空分辨率的监测，对于研究肿瘤等疾病的早期诊断、治疗监测、疗效评估等方面均具有重要意义。
今天，检验君为大家分享的是陆军军医大学西南医院检验科陈鸣教授团队近年来关于纳米技术及生物传感器临床应用的研究前沿。
01
新型智能纳米诊断治疗平台助力肿瘤精准治疗
MicroRNAs（miRNAs）是转录后基因表达的关键调节因子，在肿瘤发生发展中发挥着重要作用，被认为是肿瘤诊疗的新型生物标志物。并且通过致癌miRNAs或抑癌miRNAs的双向调节进行基因靶向治疗，最终可实现对肿瘤的精准治疗。
近日，陆军军医大学西南医院检验科陈鸣、唱凯教授团队开发了一种基于双miRNAs引导的自反馈四面体熵驱动DNA电路智能纳米诊疗平台，不仅可以检测细胞内的致癌miRNAs，同时通过释放抑癌miRNAs来实现肿瘤的精准靶向治疗。该研究发表在Advanced Science（IF=15.1）。
该纳米诊疗平台由一个包含熵驱动DNA回路的DNA四面体组成。为实现细胞内痕量miRNA的高敏传感，研究人员采用了DNA纳米组装技术中的熵驱动DNA回路，其本质上是一个程序化的核酸自组装回路，由DNA杂交过程中的系统熵获得热量而驱动检测过程，此过程为等温扩增，不需要酶参与，也不会改变细胞内的任何共价键。通过熵驱动循环电路进行信号放大，实现致癌miRNAs的超敏检测。再利用具有天然生物相容性和高转染效率的DNA四面体作为跨膜载体，将上述熵驱动DNA回路直接装载并递送到癌细胞中。该纳米诊疗平台进入细胞后进行致癌miRNAs检测的同时，释放抑癌miRNAs来进行基因双向调节实现肿瘤诊疗一体化。
为了测试该平台性能，研究人员在肝细胞癌中选择了具有相反作用的miRNA，即致癌miRNA-155作为癌症诊断指标，抑癌miRNA-122作为癌症治疗靶点。通过对纳米诊疗平台的四个顶点和六个侧面进行精心编程，研究人员在细胞内外、组织以及活体动物上均实现了致癌miRNA-155的检测。同时，将抑癌miRNA-122预载、递送并释放到癌细胞中，显著增加了细胞中抑癌miRNA-122含量的同时减少了致癌miRNA-155的量，这种双miRNA的协同调节最终实现了肿瘤的协同治疗。
研究人员表示，该智能纳米诊疗平台在检测肿瘤相关miRNAs的同时可递送特异性肿瘤抑制miRNA，在体内外均发挥了良好的抗肿瘤作用。由于其优秀的抗肿瘤功效和生物安全性，意味着该平台在肿瘤早期诊断和精准治疗中具有极大的应用价值，将在个性化医疗和精确医学的道路上迈出重要一步。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301814
02
基于DNA四面体的纳米机器实现生物活性小分子超敏检测
生物活性小分子，作为一种重要的生物标志物，在与多种疾病相关的生物代谢过程中发挥着重要作用。这些小分子通常具有较小的分子量和较短的半衰期，并且能够在生物体内广泛分布并参与各种生理过程。因此特异性精准识别体内的生物活性小分子对于相关疾病的诊断和治疗尤为重要。
近日，陆军军医大学西南医院检验科唱凯、陈鸣教授团队开发了一种基于DNA四面体纳米机器模块化的生物传感器，可用于细胞内生物活性小分子超敏检测。该研究发表在ACS Appl Mater Interfaces（IF=9.5）。
该生物传感器由三个模块组建而成，包括识别靶标的适配体模块、信号放大和输出的熵驱动模块以及运输进入细胞的DNA四面体模块。研究人员以三磷酸腺苷（ATP）为靶标，一旦靶标ATP与适配体模块结合，便可从适配体模块释放引发剂从而激活熵驱动模块，最终实现ATP响应信号的输出和进一步的信号扩增。这种新型纳米机器在1 pM至10 nM的浓度范围内对ATP表现出线性反应，并有着超高灵敏度，其检测限为0.40 pM。
随后研究人员在DNA四面体模块的帮助下将该纳米机器输送到活细胞进行细胞内ATP成像，并且可以根据细胞内ATP水平区分肿瘤细胞和正常细胞。
这种新型纳米机器为基于体内生物活性小分子的检测分析开辟了一条有效的路径。其小巧、灵敏和高效的特点有望迎来更加便捷、准确和快速的检测方法，为疾病的诊断、治疗和预防提供新的可能性。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c02614
03
新型DNA纳米花生物传感技术的应用及挑战
DNA纳米花（DNFs）是基于超长链DNA和无机金属离子骨架的拓扑花状纳米结构。由于其可编程性、生物相容性和对分子识别刺激的特定反应的可控组装尺寸，DNF成为生物分子检测中强大生物传感工具。
日前，陆军军医大学西南医院检验科唱凯、陈鸣教授团队的一项综述，回顾了DNF生物传感技术用于体内和体外检测策略的现状，并对其应用前景进行探讨。该文发表在Trends in Biotechnology（IF=17.3）。
该文对基于DNF的生物传感策略的详细分类，并提出了它们的未来用途。尤其是作为转导元件，DNF可以通过信号放大来加快生物传感进程。随后探讨了DNF生物传感技术在更广泛应用方面的关键挑战及应用前景。
文章指出基于DNF的生物传感器可以通过独特的可编程性和花状结构的大量重复拷贝，可有效地将目标生物标志物的信息转化为物理或化学信号。DNF生物传感技术可以应用于细胞、蛋白质、小分子的体外检测以及RNA和ATP的体内检测的可设计平台。而且基于DNF的生物传感技术具有高特异性、灵敏度、生物相容性、多重检测和无需设备的快速检测等多种优势。花状结构可用作分子开关，以响应特定的细胞内环境和生物标志物，触发结构降解，并可控地释放特定的负载。
总之，DNF具有的多种优势，让基于DNF生物传感技术有了更广阔的应用前景，也为临床生物分子检测提供了强大的工具。
文章链接：
https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(22)00229-3?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0167779922002293%3Fshowall%3Dtrue
04
微/纳米颗粒的分离方法——声流控技术
微米/纳米颗粒是指特定长度小于1毫米的颗粒，包括细胞、细菌、病毒、外泌体、核酸和蛋白质等，在化学、物理、医学等各个领域的应用日益受到关注。但在应用之前需要进行微/纳米颗粒分离，达到相应的纯度和浓度，因此，非常需要具有高分离效率的分离方法。
近日，陆军军医大学西南医院检验科陈鸣、唱凯、王珏教授团队的一项综述阐述了微/纳米分离的通用方法——声流控技术。该文章发表在Advanced Materials Technologies（IF=6.8）。
文章详细介绍了声流控技术的基本组成、机理和材料。随后，讨论了各种精心设计的声流器件，包括不同的体声波（BAW）微流技术和表面声波（SAW）微流技术，及其原理、优点、局限性和在分离中的应用。
介绍了BAW微流体中微/纳米颗粒分离的进展外，还详细阐述了SAW微流体，并重点介绍叉指换能器（IDT）的各种配置，包括straight IDT、slanted-finger IDT、chirped IDT和focused IDT。声流体学的微流体系统包括直通道、蛇形通道和液滴的形式。此外，除了简单结构的声流控外，文章还提到了与其他结构集成的声流控。最后，讨论了声流控技术在微米/纳米颗粒分离中的前景和局限性。
总之，该文章表明声流控技术或可成为在细胞、亚细胞和生物分子水平上进行微/纳米颗粒分离的通用工具。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202202201
05
三维编码互锁DNA环构建多重ctDNA检测平台
循环肿瘤DNA（ctDNA）是一种重要的生物标志物，对肿瘤的早期检测和个性化治疗均具有重要价值。
日前，陆军军医大学西南医院检验科陈鸣、唱凯、王云霞教授团队基于3D编码互锁DNA环（ID环），开发了一种新型的3D编码ID环ctDNA检测平台，可用于ctDNA panel的多重高通量检测。该研究发表在Bioactive Materials（IF=18.9）
该ID环鉴定单元包括了互锁的ctDNA识别环与报告环。靶标ctDNA与识别环的特异性结合后通过限制性核酸内切酶启动靶反应切割，然后引发报告环上的滚环扩增，滚环扩增信号进一步与3D编码微球单元集成，形成多靶标高通量的ctDNA检测平台。ID环鉴定单元，可根据靶标ctDNA的序列重新设计识别环，从而实现检测任何ctDNA。该研究通过进一步整合ID环鉴定单元和3D编码微球单元，首次创建了基于ID环3D编码微球的ctDNA检测平台，并成功地从227个结直肠癌患者血液、尿液、粪便样本中检测到了多种ctDNAs，其灵敏度、检测时间、成本等均优于传统测序。
特异性方面，该平台采用三种独立的机制来确保达到单个碱基识别的高特异性，包括序列特异性识别环、微球表面的序列特异性结合探针和序列特异性识别的限制性核酸内切酶。灵敏度方面，该平台在三个阶段成功地进行了三次连续扩增，包括最初的微球阶段、随后的滚环扩增反应和最终的荧光信号输出。因此，该平台的特异度和灵敏度都能得到高度保障。
研究人员表示该平台为ctDNA检测的传统测序提供了一条替代途径，该平台或将在早期诊断到个性化治疗再到精准医学的道路上发挥重要作用。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21004175?via%3Dihub#abs0020
06
三阴性乳腺癌光热靶向治疗技术
光热治疗（PTT）可以有效地将光能转变为热能，通过提高肿瘤组织周围环境温度实现对癌细胞的有效杀伤，是一种具有高特异性的很有前景的新型肿瘤治疗手段。这其中，光热转换效率是实现有效光热治疗的一个关键因素，因此，如何提高光热制剂的光热转化效率，降低激光使用强度，使用安全光强度的激光用于光热治疗，是该领域的关键点和难点。
近日，陆军军医大学西南医院检验科高铭萱、陈鸣教授及病理科仰毅教授团队制备了一种PD-1修饰的金复合非计量比硒化铜纳米粒子，通过合理设计其结构拓宽了其生物学应用，使其具有更高的光热转化效率、更低的生物毒性以及对PD-L1过表达的癌细胞具有特异性的靶向能力，并实现了对三阴乳腺癌荷瘤小鼠的有效光热治疗。该研究发表在Materials Today Nano（IF=10.3）。
该研究通过多步反应条件调控与不同理论模型计算相结合，实现了对硒化铜-金复合纳米材料形貌和尺寸的精确调控。结合多个理论模型对复合材料的结构、组成及表面电场分布进行模拟计算，进而优化合成条件。不仅从能带结构层面阐释了复合材料提升光热转化效率的原理，并且通过控制硒化铜与纳米金颗粒的比例，将其光热转换效率从35.8%提高至54.5%。
硒化铜-金复合纳米颗粒能够用于靶向PD-L1过表达的癌细胞并产生光热效应，在制备用于治疗癌症的药物方面有着非常重要的潜在应用价值。原位生长的金纳米颗粒不仅抑制了硒化铜纳米颗粒的毒性，而且还提供了修饰PD-1蛋白的位点。该纳米复合物对PD-L1过表达的三阴性小鼠乳腺癌细胞表现出特异性靶向能力。通过尾静脉注射于PD-L1过表达的荷瘤小鼠体内8小时后，光声和光热成像均提示材料在肿瘤组织内呈现明显富集。进一步的光热靶向治疗结果显示肿瘤有显著抑制和消融，且治疗30天后未观察到肿瘤转移。
该研究所制备的新型光热材料展现出优异的光热治疗能力，为三阴性乳腺癌的光热靶向治疗提供了极有价值的技术储备。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842022000396?via%3Dihub
07
DNA四面体纳米机器用于细胞内miRNA的检测和调节
miRNAs的异常表达与许多疾病相关，包括一些实体瘤、骨髓瘤和B细胞淋巴瘤等等，因此，miRNAs也被认为是早期癌症诊断和预后的重要生物标志物。
日前，陆军军医大学西南医院检验科陈鸣、唱凯教授团队开发了一种新型的DNA四面体纳米机器，可用于细胞内miRNA的高灵敏度检测和负反馈调节。该研究发表在Materials Today Bio（IF=8.2）。
该纳米机器以DNA四面体纳米结构为框架，以miRNA抑制剂控制的变构DNA酶为核心。DNA四面体使DNA酶和底物在空间上更接近，可促进细胞对DNA酶的摄取并防止酶的降解。DNA酶在这里起着双重作用，一是携带用于miRNAs生物传感的荧光基团，二是作为miRNAs调节的抑制剂。在DNA酶的变构调节中，无活性的四面体DNA酶（L-tetra-D）和具有活性的四面体DNA酶（A-tetra-D）的转化受到miRNA抑制剂的控制。miRNA抑制剂和靶标的结合可以导致从L-tetra-D到A-tetra-D的构象变化。改构后的A-Tetra-D切割底物并释放荧光基团用于细胞内miRNA生物传感。
此外，DNA四面体纳米机器显示出优异的灵敏度，其检测极限低至0.77 pM，还具有单碱基错配识别的高特异性，以及生物相容性和稳定性等特性。同时，该纳米机器引入的抑制剂释放表现出对靶细胞同步调节，其调节性能通过下游基因和蛋白质水平的上调，以及细胞凋亡增加得到了验证。
这是首次将DNA酶装载在DNA四面体内部，并用于miRNAs的同时检测和调控的研究。研究人员表示，该DNA四面体纳米机器是一种很有应用前景的生物传感和治疗于一体的工具，有望应用于癌症的早期诊断和精准治疗。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006422000746?via%3Dihub#sec2
08
模块化的酶串联反应可快速高灵敏检测tsRNA
tsRNA是一种由tRNA衍生而来的小非编RNA，在液体活检领域发挥着越来越重要的作用，已成为乳腺癌早期诊断和预后预测的生物标志物。然而tsRNA拷贝数及浓度通常较低，如何实现快速高敏检测成为关键所在。
日前，陆军军医大学西南医院检验科高铭萱、包静、陈鸣教授团队设计出一种模块化的酶串联反应，即逆转录切刻指数扩增截断技术（RT-NExT），可用于乳腺癌tsRNA的快速高灵敏检测。该研究发表在Analytical Chemistry（IF=7.4）。
通过将一组酶组装在一个内聚的模块内，使其行使一个特定的反应目的，而多个模块之间通过接口DNA进行连接并驱动反应。酶模块可以单独反应也可以组合在一起进行反应，这样就大大减少了设计的复杂性，并且方便根据酶串联反应的需求对其中的模块进行单独的替换、改造或者升级。
通过该设想，研究人员成功开发出了RT-NExT。从大量的同类型酶中筛选出5种，组成了三个相互独立的模块：逆转录模块、指数扩增模块以及信号输出模块。通过聚丙烯酰胺凝胶电泳以及荧光光谱验证，各模块均可以独立的行使其功能，而利用接口DNA将其两两组合，也能够顺利串联。最终研究团队将三组模块进行串联，则可以将输入的tsRNA信号成功的转换为荧光信号并对其进行检测。
通过对反应体系的优化，可实现在10分钟内检出10-18M的tsRNA。通过对乳腺癌患者血清以及健康人群血浆中的ts-66以及ts-86的检测，所得结果与金标准qRT-PCR结果保持一致。
研究人员表示，该模块化酶串联反应技术或成为疾病核酸标志物液体活检的一种有效手段。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.2c04010
09
精确检测循miRNAs的新策略
准确检测循环miRNAs在各种疾病的诊断中起着至关重要的作用，但由于miRNAs序列短、丰度低，目前常规的检测策略普遍都需要用到酶依赖的核酸扩增方法。然而，酶的活性极易受到环境因素的影响，因此无酶的高效检测方法是目前研究的新热点。
日前，陆军军医大学西南医院检验科陈鸣、唱凯、高铭萱教授团队开发了一种基于点击化学连接和发夹堆叠组装的无酶无铜检测方法——3C-TASK，可实现循环miRNAs的精确检测。该研究发表在Analytica Chimica Acta（IF=6.2）。
该检测策略中，miRNA可以启动无铜点击化学连接反应，然后连接的产物触发另一个发夹堆叠回路。经点击化学连接电路中靶miRNA的再循环实现第一次信号放大，再经热力学驱动的发夹堆叠电路中连接探针的再循环实现第二次信号放大。通过将miRNA触发的两步链式反应的荧光信号值量化，从而实现对靶miRNA的准确检测。
由于整个过程中不涉及酶反应，因此很容易对3C-TASK进行控制。尽管该检测策略简单，却具有超高灵敏度，其检测限值为8.63 pM，且具备区分单碱基变异的miRNA序列的特异性。此外，通过检测稀释血浆样品中的靶miRNA，验证了该方法在复杂生物样品中同样具有适用性。
相较于现存的检测方法，该检测方法不需要各种酶的参与，因此对于检测环境的要求相对较低，反应体系也相对简单只有几种核酸探针，使得检测条件更容易控制。具有令人满意的灵敏度和特异度，且具有区分单碱基突变的能力。
该方法首次尝试了将点击化学连接和发夹堆叠组装进行结合实现双循环放大，证实了点击化学是一种独特而有效的靶序列扩增方式，其作用不仅限于靶标和产物的核酸类型，甚至可以产生DNA-RNA的混合产物，为今后将点击化学反应和无酶DNA环路运用于生物检测领域提供了全新思路。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0003267021011089?via%3Dihub
10
新型生物传感器可超灵敏检测致病菌
细菌感染是由致病菌或机会致病菌进入血液循环并产生毒素和其他代谢物引起的急性全身性感染。在其诊断过程中，准确有效地检测出病原菌对于后续治疗有着至关重要的作用。
近日，陆军军医大学西南医院检验科陈鸣、唱凯、包静教授团队基于适体识别诱导的滚环扩增(RCA)/G-四链体策略，开发了一种比率双信号电化学生物传感器，用于病原菌的超灵敏检测。该研究发表在ChemElectroChem（IF=4.0）。
研究人员在金电极芯片的表面，使用与二茂铁（Fc）偶联的适体序列（P1）来捕获目标细菌。这种捕获释放一种不同的先前结合的序列（P2），该序列启动RCA/G-四链体级联，在钾离子存在的情况下，该序列能够于电化学指示剂亚甲基蓝（MB）结合。研究人员整合了Fc损失和MB信号产生，形成IMB/IFC比率，从而量化目标细菌浓度。该生物传感器表现出优异的检测性能和特异性，检测限为10 CFU/毫升。
该双信号比传感策略的灵敏度比单信号输出的适体识别和RCA扩增高出65倍和10倍。尤其是，该生物传感器在含有多种细菌的复杂样品中表现出优异的检测性能，以及良好的稳定性和回收率，在临床诊断中表现出巨大的潜力。此外，与细菌培养、核酸分子杂交、基因芯片等传统的病原体生物检测方法相比该传感器可以在不破坏细菌结构的情况下完成高性能检测。
总之，研究结果不仅拓宽了电化学传感器的检测范围，也为临床细菌感染和脓毒症的早期诊断提供了切实可行的思路。
文章链接：
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202300257
专家简介
陈鸣 教授
博士、教授、博导，陆军军医大学药学与检验医学系主任、西南医院检验科主任。中国中西医结合学会检验专委会副主委、中华医学会检验医学分会常委兼临床实验室管理学组组长。国家重点研发计划首席科学家。长期从事生物传感器、纳米科技及分子诊断方面的研究。带领的检验学科连续八年上榜复旦“中国医院专科声誉排行榜”正榜，2021 年排名全国第七。牵头承担国家重点研发计划项目1项、国家863课题2项、国家自然科学基金重点项目2项等30余项研究项目。获国家科技进步二等奖2项、重庆市技术发明一等奖1项在内的奖项10项。获庆祝中华人民共和国成立70周年纪念章、“英雄杯”中国实验医学杰出青年奖、重庆市学术技术带头人、重庆青年科技奖、“重庆市十大杰出青年”等称号。已在New Engl J Med，Sci. Adv.等SCI论文52篇，总影响因子670.9，单篇最高158.5，大于10分的23篇。
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编辑：唐强虎 审校：方琪
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