功能化DNA水凝胶在生物传感领域的应用研究进展综述

DNA水凝胶是由DNA交联聚合物骨架或纯DNA模块自组装形成的亲水性聚合物网络。DNA水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性、稳定性和力学性能，引起了人们的广泛关注。特别地，基于可编程DNA组装或降解反应可发展高灵敏的生物传感方法。随着核酸扩增技术的发展及纳米材料的整合应用，研究人员已开发出多种功能化DNA水凝胶并用于各类分子的检测分析。

据麦姆斯咨询报道，近期，苏州医工所缪鹏研究员课题组受邀撰写了题为“Programmable DNA hydrogels construction with functional regulations for biosensing applications”的综述性论文。该综述对DNA水凝胶的组装原理和功能化策略进行了介绍，描述了其亲水性、生物相容性、生物降解性、可编程性、可调节的刺激反应和机械特性等优点，并系统性地回顾了基于DNA水凝胶相变的信号发生机制。

此外，该综述重点介绍了近年来DNA水凝胶应用于荧光、比色、电化学、SERS生物传感方面的代表性工作，讨论了针对小分子、离子、蛋白质、核酸、细胞等不同类型靶标的检测策略。最后，该综述对DNA水凝胶生物传感应用面临的挑战和前景进行了展望（图1）。该论文已发表在Trends in Analytical Chemistry期刊上。论文第一作者为严承宇，通讯作者为缪鹏研究员。

图1功能化DNA水凝胶的制备及生物传感应用

DNA水凝胶可以通过化学（例如希夫碱和硼酸酯键）或物理相互作用（例如氢键和π-π相互作用）组装形成。在合成过程中主要涉及两种策略，包括杂化DNA水凝胶和纯DNA水凝胶。

其中，杂化DNA水凝胶通常采用聚丙烯酰胺等聚合物、多肽、纳米管或氧化石墨烯等作为骨架，DNA作为交联剂和可切换元件，具有很好的强度、适应性和通用性。通过特定核酸序列的设计能够使DNA水凝胶响应pH等环境或分子刺激，产生可调节的相变状态与信号，从而作为一种优良的生物功能材料应用于生物传感领域（图2）。

图2杂化DNA水凝胶的构建策略及环境分子响应

而以DNA链作为水凝胶的骨架和交联链的纯DNA水凝胶则具有高度的可编程性、更好的生物相容性和可降解性。形成的三维网络可以由多个具有重复序列的构建模块（例如支链双链DNA、X形DNA或Y形DNA）与单链DNA粘性末端组成；另一方面，也可以通过杂交链式反应（HCR）、聚合酶链式反应（PCR）、滚环扩增反应（RCA）等核酸扩增技术直接制备（图3）。

图3 纯DNA水凝胶的构建策略

通过将DNA水凝胶针对外界刺激的响应或对目标分子的识别事件转化为机械、声学、光学和电信号等，可发展出一系列高灵敏的生物传感方法及集成装置，为体外和在体各类分析物的定性和定量检测提供有力的解决方案。本综述中分别讨论了近年来基于DNA水凝胶发展的重金属离子、毒素分子、酶、蛋白质、核酸、细胞等的检测方法。

图4 （A）基于DNA水凝胶的Pb²⁺毛细管传感器示意图；（B）基于电极表面HCR组装DNA水凝胶的Hg²⁺阻抗传感策略示意图



图5（A）用于Dam活性分析的DNA水凝胶基POCT装置开发示意图；（B）基于Cas14a裂解DNA水凝胶的CK-MB检测系统原理示意图

随着DNA水凝胶在生物传感领域的应用范围不断扩大，一些亟待解决的挑战涌现出来。首先，与其他聚合物相比，DNA分子的成本相当高。常用的“1：1”识别策略需要在水凝胶中加入大量的反应单元。为了以低成本、高效益的方式实现大规模应用，可以进一步开发杂化DNA水凝胶，并整合“1：n”信号放大策略。

此外，水凝胶的缓慢传质限制了反应速度，对低丰度和微量样品的反应灵敏度也有待提高。其次，考虑到基于DNA水凝胶的生物传感器可能的应用场景，应提高DNA水凝胶在复杂环境基质中的稳定性及其对恶劣环境条件的耐受性。最后，DNA水凝胶颗粒、微凝胶、微针阵列、微流控芯片等微系统的研究有助于实现快速、便携、灵敏和低成本的目标分子检测，可应用于POCT、可穿戴和可植入传感领域。随着DNA纳米技术的发展，更深入的研究有望解决目前存在的问题，提高分析性能，扩大生物传感的应用范围。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117628



审核编辑：刘清