摘要：可与多学科交叉发展的纳米技术， 对生命医学领域的应用具有重大价值。DNA不仅是生命的密码， 同时因其强大的编码能力和独特的理化性质， 用作构建特定的DNA纳米结构和功能化的动态机器的基石。文章简单介绍了DNA纳米结构的发展， 综述了DNA纳米技术在生物医学领域内检测诊断、载药治疗和医学仿生的应用， 并对该学科的研究前景进行了展望。
关键词：DNA纳米技术； 检测； 治疗； 生物仿生；
0 引言
纳米技术是在1~100 nm尺度范围内的结构材料的基础上， 研究其性质和应用的技术。从20世纪80年代末逐步发展起来后， 相继和物理学、化学、生物技术有机结合。纳米材料能够表现出与宏观物体相对独立的运动规律和特殊的理化性质， 因此可以构建具有特定功能的纳米结构和器件来解决实际问题， 在医学领域有诱人的应用前景。现介绍DNA纳米结构在生物医学领域上的三大应用， 并对DNA纳米技术的未来进行展望。
1 DNA纳米技术在医学上的应用
1.1 DNA纳米技术在医学检测方面的应用
DNA纳米技术为发展单分子水平上的生物传感器提供了新的思路， 可作为生物分子探针载体平台的空间可定位骨架。之前的临床研究表明多种新生物标记物 （如microRNA） 的含量增加或减少可能导致多种疾病的发生， 而且一种疾病往往与多个基因标记物有关。为实现超灵敏和个性化的疾病分子分析， 新出现的DNA纳米材料为推动超灵敏生物检测领域的发展提供了新的应用方向。最早将DNA origami应用到生物检测领域中的是Yan课题组， 他们将尺寸为100 nm×70 nm的矩形折纸作为生物芯片来辅助检测溶液中的RNA分子[1].在折纸芯片特定位置的3列订书钉链上伸出20个碱基长的寡核苷酸单链作为探针， 分别可以和3种microRNA序列杂交， 当和靶向RNA分子杂交后， DNA/RNA双链成为带有位阻效应的V型结构， 其硬度和高度的增加可通过AFM识别。Fan实验室在“中国地图”折纸的折纸芯片上， 将刚性的“V型探针”改为更加简便的“线性探针”, 成功实现了对特定靶向DNA的检测[2].除了DNA折纸术构建的生物芯片外， DNA四面体可以在自组装的四条DNA单链的顶点处伸出特定的寡核苷酸探针， 实现对DNA、RNA的超灵敏检测[3-4].单核苷酸多态性 （single nucleotide polymorphisms, SNP） 是最常见的一种人类可遗传变异， 同时可以作为疾病诊断的有效标记， 所以对SNP的检测区分一直备受关注。基于DNA折纸平台， 不仅可以实现SNP的区分， 还能通过AFM进行可视化检测。Seeman等[5]在矩形折纸芯片上， 设计了可读出的包含有A、T、C、G4个核苷酸字母的形状， 当单核苷酸错配为T的靶向DNA存在时， 无法和探针T完全互补， 此时信号分子淬灭， 该核苷酸形状T消失， AFM图像可直接读出错配结果。相比之前在均相和界面上的检测方法， 该平台可实现多个SNP位点的可视化读数[5], 在医疗诊断方面的应用性就可以大为加强[5].
DNA纳米结构尤其是DNA折纸可作为纳米尺度的“液晶显示屏”成为信号输出设备， 在AFM的成像帮助下， 实现基因缺损与异常等疾病的高灵敏检测和诊断。除此之外， 还可偶联其他分子如纳米金、抗体、核酸适配体等实现对重金属离子、相应蛋白或酶以及配体的检测[6-7].DNA纳米结构因为其构型变化和某些金属离子有关， 可以检测铅、镁、锌、汞等多种元素。Mirkin等[8]将在2种纳米金颗粒上分别修饰一条互补DNA链， 其含有T-T错配， 当溶液中存在汞离子时， 2条DNA链可形成稳定的T-Hg-T结构而脱离纳米金， 其表面失去DNA链的保护而聚集沉淀， 实现对汞离子的检测。Elezgaray实验室则利用矩形折纸芯片实现对钾离子的定量检测。在折纸芯片上排布并伸出可以和G四联体相连接的探针， 当K+浓度很富集时， 其结构不变， 减少钾离子浓度， 则G四联体构象发生变化， 打开为单链进而引发DNA杂交反应， 根据荧光变化检测钾离子浓度的改变[9].
1.2 DNA纳米技术在医学治疗方面的应用
DNA具有优越的易修饰性， 与许多基团如氨基、巯基、羧基、特异的小分子和各种荧光基团等相整合[10-11];作为具有良好生物相容性的三大生物大分子之一， 安全无毒副作用。DNA纳米结构具有多样的编码能力和良好的可设计性， 载带药物量大， 在体内走向明确；具有良好的渗透性， 可传送和定位传递信息， 通过细胞表面配体的特异性可定位的在靶向位置缓释药物。这些都使得DNA纳米结构具有优越的生物医学应用[12-17].
Fan课题组利用滚环扩增 （rolling circle amplification, RCA） 原理获得一条长单链且具有多个重复单元， 以此代替噬菌体单链M13mp18作为脚手架链， 订书钉链的数目降低为3条， 即可折叠出DNA纳米带结构， 合成方便且大大节约了实验成本。在staple链上携载免疫核酸Cp G序列， 进入细胞， 细胞摄取能力更为高效， 免疫活性较之含有Cp G序列的单、双链DNA增幅很大[18].Weizmann课题组利用相似的设计自组装为DNA纳米带结构， 载带小分子干扰RNA沉默特定基因， 同时还可作为细胞中的p H报告器[19].Ding课题组发现DNA纳米结构具有增强的肿瘤被动靶向性和在肿瘤区域的长滞留效应， 他们将抗癌药物阿霉素 （doxorubicin） 以嵌入的形式载带在三角形DNA折纸内， 使其具有大剂量的药物载带和持久的缓慢释放性， 展现了DNA折纸在药物载带方面突出的治疗功效[20-21].
除了静态的DNA纳米结构可以在药物运输、靶向治疗上发挥传统方式难以匹敌的疗效外， 可根据需要灵活设计开关状态的动态DNA纳米机器更适合于生物治疗领域。Yan课题组设计了一个以核酸适配体为开关的六边形圆筒结构， 当细胞表面的抗原存在时， 可与核酸适配体发生高亲和作用结合， 将六边形折纸结构解锁打开， 释放空腔内的载带物[22].Church课题组则设计了三维的六棱桶状纳米结构， 通过细胞膜表面上2个不同受体相对应的核酸适体的构象变化人为控制开关， 当DNA六棱桶进入细胞后， 当且仅当2个目标受体都存在时， 六棱桶才能打开， 通过此途径提高纳米结构的选择性， 进行对靶标癌细胞的特异性识别， 桶内载带的抗体缓释， 从而抑制癌细胞的生长[23].DNA纳米结构载体具有良好的体内稳定性和较强的肿瘤靶向性， 在医学治疗中具有广阔的应用前景。
1.3 DNA纳米技术在医学仿生方面的应用
人类的生物系统是复杂且精密的， 为了对它的运转方式有更好的了解， 科研工作者利用DNA纳米技术构造生物仿生系统。首先从较基础的生物分子机器开始构建。DNA和蛋白质的关系水乳交融， 连接方式多种多样， 如特殊的DNA序列可以识别锌指蛋白并连接[24];修饰有Ni-NTA的DNA分子可以与带有组氨酸标签的蛋白相结合连接[25];修饰有生物素的DNA可以和链霉亲和素通过抗体作用相连接[26];DNA和多肽可通过EDC/NHS反应相连接等[27].其中， 生物素和链霉亲和素因其高亲和力的牢固结合而被广泛应用开发。Yan等[28]在DNA二维网格结构上设计了若干条修饰有生物素的DNA链， 实现了链霉亲和素蛋白阵列。Kuzyk课题组在矩形DNA折纸上， 排布链霉亲和素的图形[34].核酸适配体 （aptamer） 和蛋白相互作用中的距离效应也是构建生物仿生系统的研究范围。Yan课题组将分别和凝血酶2个区域结合的apt-A和apt-B作为研究对象， 利用DNA纳米结构的可寻址性精确的控制两者之间的间距， 进而操纵其与凝血酶相结合的能力[29].这篇报道是基于DNA纳米结构来人工模拟并控制生物大分子相互作用的首例。
Turberfield课题组设计了具有空腔的DNA纳米笼， 在特定位置的DNA链上修饰tris-NTA, 将带有组氨酸标签 （His-tag） 的蛋白锚定于其上， 并与冷冻电子显微镜技术相结合获得目标蛋白质分子的高分辨率图像并解析结构， 为生物结构学家梦寐以求的研究提供了新的思路[30].Fan课题组利用DNA纳米技术人工模拟了生物体内常见的双酶体系。在矩形DNA折纸上组装葡萄糖氧化酶与辣根过氧化物酶， 在折纸上控制两个酶之间的距离， 并观察酶联反应的变化， 发现两者之间呈反比；之后将矩形折纸的上下两端封闭得到DNA纳米圆筒并作为双酶级联生物反应器， 与矩形折纸相比， 同样距离下酶联级促的反应活性更高， 猜测是“三维限域空间”效应导致[31].自然界中存在微管上向负端“行走”的动力蛋白和向正端“行走”的驱动蛋白 （Kinesin-1） 来运输细胞内的“货物”, Peterson课题组构建了三维的螺旋管结构作为它们运输的“货物”, 通过控制这2种马达蛋白的极性、数目、位置来研究它们的运输特征[32].
研究膜结构和动力学的必须工具是人工脂质双分子层， 合成理化性质稳定， 尺寸可控的脂质囊泡具有很大的意义， 可用于膜蛋白解析， 药物递送等过程， 应用广泛。Shih课题组设计尺寸不一的三维DNA纳米环形结构作为脂质体生长的模版， 合成直径<100 nm且形貌均一的立体囊泡结构[33].Sugiyama课题组将人工磷脂双分子层作为可变化的基底， 在其上铺上十字形状的DNA折纸来辅助构建晶格状大分子[34].
生物体的磷脂双分子层中的纳米孔通道从本质上来说是一种离子通道， 这种跨膜通道可以调控离子或其他小生物分子的运输， 利用DNA纳米技术来构建纳米孔材料是医学仿生领域内有价值的内容。Simmel课题组构建了一端为杆状一端为桶形“盖子”的结构， 主干杆状结构可嵌入磷脂双分子层， 盖状结构将主干固定于膜上不动。通过单通道电生理学实验设备， 对这种复合型纳米孔通道进行电导表征， 发现它们与生命中天然存在的通道相似；当DNA链穿过通道时， 每种核酸分子的电信号特征都不相同， 可鉴定不同的DNA分子[35].除此之外， DNA纳米结构孔结构也模拟生物仿生系统检测各种生物分子[36-43].
DNA纳米结构可以模拟酶联级促反应器和纳米孔通道外， 还可与病毒衣壳相结合进入细胞以增强细胞传送力， 构建宏观材料水凝胶作为三维细胞培养的门控等多种用途。
2 展望
在多学科相互联系交叉发展的21世纪， DNA纳米技术因其具有寻址性的结构信息， 强大的分子载带量和良好的生物兼容性站在了发展的前沿。DNA纳米结构从简单的几条DNA链自组装的tile结构发展到立体复杂的DNA折纸图案， 从间接的凝胶表征到可视化的照片显示， 从静态的图形图案到动态的分子机器， DNA纳米结构越来越复杂， 元件越来越精细。
DNA纳米技术的快速发展， 带来了在生物、化学、医学等领域巨大的应用潜力， 在生物医学上的研究方向是向智能化进行的， 由于精确的可定制性， DNA纳米结构， 可对各种病原微生物、肿瘤标志物、基因变异等各种疾病的相关指标进行早期诊断和灵敏度高的检测， 先进的诊断方式至关重要；研究并制备载带有特异性药物的纳米结构载体， 在靶向部位定时定量的缓释药物， 以解决癌症的可转移性或治疗其他重大疾病；将纳米机器努力做得像天然生命系统一样， 按照人类的指令精确可控的完成各种任务和研究， 这是其他技术在医学仿生领域所不具备的优势。
虽然DNA纳米技术发展很快， 但仍处于发展的初期阶段， 面临诸多挑战， 如DNA合成的高成本、更高级结构的设计、体内的安全性评估、细胞的摄取效率等。相信随着科学的发展， DNA纳米技术从实验室走向临床实践的道路艰辛却光明。
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