基于DNA与上转换纳米颗粒相结合的生物传感与成像研究进展

doi:10.7503/cjcu20220626

摘要/Abstract

摘要：

脱氧核糖核酸(DNA)的分子识别特性与功能使其在生物传感与成像领域得到了广泛应用. 另一方面, 得益于自身独特的光学性质, 镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒在生物医学应用中备受关注. 特别地, 二者的有机结合可产生新的性质与功能, 在生物传感与成像领域展现出优势, 推动了该领域的发展. 本文综合评述了基于DNA与上转换纳米颗粒相结合的生物传感与成像技术的研究进展, 重点聚焦于相关方法的分类与设计原理, 简要概述了相关的应用研究, 并对该领域目前存在的挑战与未来的发展前景进行了讨论.

关键词: 上转换纳米颗粒, 脱氧核糖核酸, 生物传感器, 生物成像, 纳米探针

Abstract:

Deoxyribonucleic aicd（DNA） have been widely used in biosensing and imaging because of their molecular recognition properties and functions. Lanthanide-doped upconversion nanoparticles（UCNPs） have also attracted extensive attention in biomedical applications due to their unique optical properties. In particular， the elegant integration of UCNPs and DNA holds many unparalleled features and functions， advancing the development in the field of biological sensing and imaging. In this review， we summarized the advances in biosensing and imaging based on the integration of DNA and UCNPs. We mainly focused on the design principles of the developed methods， briefly introduced their applications， and discussed the current challenges and future perspectives in this field.

Key words: Upconversion nanoparticles, Deoxyribonucleic aicd, Biosensor, Bioimaging, Nanoprobe

中图分类号:

O614

TrendMD:

赵恒智, 余方志, 李翔菲, 李乐乐. 基于DNA与上转换纳米颗粒相结合的生物传感与成像研究进展. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220626.

ZHAO Hengzhi, YU Fangzhi, LI Xiangfei, LI Lele. Advances in Biosensing and Imaging Based on the Integration of DNA and Upconversion Nanoparticles. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220626.

图/表 4

Fig.1 Schematic illustration of biosensing and imaging strategies based on the integration of DNA and UCNPs

Fig.2 DNA⁃UCNPs for aptamer⁃mediated targeted tumor imaging（A） Schematic illustration of the aptamer-functionalized UCNPs for targeted cancer cell imaging［30］. Copyright 2013， American Chemical Society. （B） Schematic showing the working principle of the G4-aptamer-functionalized UCNP nanoplatform for targeted bioimaging and therapy［31］. Copyright 2013， Wiley-VCH GmbH. （C） Schematic of the aptamer-functionalized UCNPs for targeted imaging of cancer cell and combinational therapy［33］. Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.3 LRET⁃based DNA⁃UCNP sensors（A） Schematic illustration of the LRET-based DNA-UCNP sensors for miRNA imaging［37］. Copyright 2019， American Chemical Society.（B） Schematic illustration of the LRET-based nanosensors for miRNA imaging［40］. Copyright 2019， American Chemical Society.（C） Schematic of the imaging principle of the DNA-UCNP sensors for K+ and pH in lysosomes［45］. Copyright 2020， Wiley-VCH GmbH.

Fig.4 DNA⁃UCNPs for spatiotemporally selective molecular sensing and imaging（A） Schematic showing the working principle of the NIR light-activated DNA nanodevice for spatiotemporally controlled ATP imaging［49］. Copyright 2017， American Chemical Society. （B） Schematic of the NIR light-controlled sensor for spatially selective imaging of mitochondrial miRNA［61］. Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH.

参考文献 68

1	Liu J. W.， Cao Z. H.， Lu Y.， Chem. Rev.， 2009， 109（5）， 1948—1998
2	Xiang Y.， Lu Y.， Nat. Chem.， 2011， 3（9）， 697—703
3	Lu C. H.， Wang F. A.， Willner I.， J. Am. Chem. Soc.， 2012， 134（25）， 10651—10658
4	Wu P. W.， Hwang K.， Lan T.， Lu Y.， J. Am. Chem. Soc.，2013， 135（14）， 5254—5257
5	Li L. L.， Xing H.， Zhang J. J.， Lu Y.， Acc. Chem. Res.， 2019， 52（9）， 2415—2426
6	Traynor S. M.， Wang G. A.， Pandey R.， Li F.， Soleymani L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（50）， 22617—22622
7	Wei W.， Dai W. H.， Yang F.， Lu H. T.， Zhang K.， Xing Y.， Meng X. D.， Zhou L. P.， Zhang Y. Y.， Yang Q. Q.， Cheng Y. R.， Dong H. F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（20）， e202116909
8	Chen Y. X.， Zhao R. P.， Li L. L.， Zhao Y. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（34）， e202206485
9	Amarnath V.， Broom A. D.， Chem. Rev.， 1977， 77（2）， 183—217
10	Glazier D. A.， Liao J. Z.， Roberts B. L.， Li X. L.， Yang K.， Stevens C. M.， Tang W. P.， Bioconjugate Chem.， 2020， 31（5）， 1213—1233
11	Chinen A. B.， Guan C. M.， Ferrer J. R.， Barnaby S. N.， Merkel T. J.， Mirkin C. A.，Chem. Rev.， 2015， 115（19）， 10530—10574
12	Wu L. Y.， Ishigaki Y.， Hu Y. X.， Sugimoto K.， Zeng W. H.， Harimoto T.， Sun Y. D.， He J.， Suzuki T.， Jiang X. Q.， Chen H. Y.， Ye D. J.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 446
13	Liu Q.， Wu B.， Li M. Y.， Huang Y. Y.， Li L. L.， Adv. Sci.， 2022， 9（3）， 2103911
14	Meng H. M.， Liu H.， Kuai H. L.， Peng R. Z.， Mo L. T.， Zhang X. B.， Chem. Soc. Rev.， 2016， 45（9）， 2583—2602
15	Ebrahimi S. B.， Samanta D.， Mirkin C. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（26）， 11343—11356
16	Shaikh S.， Younis M.， Yuan L. D.， Coordin. Chem. Rev.， 2022， 469（15）， 214648
17	Wang F.， Liu X. G.， Chem. Soc. Rev.， 2009， 38（4）， 976—989
18	Wang F.， Han Y.， Lim C. S.， Lu Y. H.， Wang J.， Xu J.， Chen H. Y.， Zhang C.， Hong M. H.， Liu X. G.， Nature， 2010， 463（7284）， 1061—1065
19	Shen J.， Zhao L.， Han G.， Adv. Drug Del. Rev.， 2013， 65（5）， 744—755
20	Dong H.， Du S. R.， Zheng X. Y.， Lyu G. M.， Sun L. D.， Li L. D.， Zhang P. Z.， Zhang C.， Yan C. H.， Chem. Rev.， 2015， 115（19）， 10725—10815
21	Zhou J.， Liu Q.， Feng W.， Sun Y.， Li F. Y.， Chem. Rev.， 2015， 115（1）， 395—465
22	Ellington A. D.， Szostak J. W.， Nature， 1990， 346（6287）， 818—822
23	Ellington A. D.， Szostak J. W.， Nature， 1992， 355（6363）， 850—852
24	Tan W. H.， Donovan M. J.， Jiang J. H.， Chem. Rev.， 2013， 113（4）， 2842—2862
25	Liu J. W.， Lu Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2006， 45（1）， 90—94
26	Chen T. T.， Tian X.， Liu C. L.， Ge J.， Chu X.， Li Y. F.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（2）， 982—989
27	Shangguan D. H.， Li Y.， Tang Z. W.， Cao Z. H. C.， Chen H. W.， Mallikaratchy P.， Sefah K.， Yang C. Y. J.， Tan W. H.， Proc. Nat. Acad. Sci. USA， 2006， 103（32）， 11838—11843
28	Wu X. Q.， Liu H. L.， Han D. M.， Peng B.， Zhang H.， Zhang L.， Li J. L.， Liu J.， Cui C.， Fang S. B.， Li M.， Ye M.， Tan W. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（27）， 10760—10769
29	Mi J.， Liu Y. M.， Rabbani Z. N.， Yang Z. G.， Urban J. H.， Sullenger B. A.， Clary B. M.， Nat. Chem. Biol.， 2010， 6（1）， 22—24
30	Li L. L.， Wu P. W.， Hwang K.， Lu Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（7）， 2411—2414
31	Yuan Q.， Wu Y.， Wang J.， Lu D. Q.， Zhao Z. L.， Liu T.， Zhang X. B.， Tan W. H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（52）， 13965—13969
32	Li J.， Hong C. Y.， Wu S. X.， Liang H.， Wang L. P.， Huang G. M.， Chen X.， Yang H. H.， Shangguan D. H.， Tan W. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（35）， 11210—11213
33	Jin X. D.， Zeng Q.， Zheng J. D.， Xing D.， Zhang T.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13（8）， 9316—9328
34	Latronico M. V. G.， Condorelli G.， Nat. Rev. Cardiol.， 2009， 6（6）， 418—429
35	Ryan B. M.， Robles A. I.， Harris C. C.， Nat. Rev. Cancer， 2010， 10（6）， 389—402
36	Small E. M.， Olson E. N.， Nature， 2011， 469（7330）， 336—342
37	Yang L.， Zhang K. Y.， Bi S.， Zhu J. J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（42）， 38459—38466
38	Ren H.， Long Z.， Shen X. T.， Zhang Y.， Sun J. H.， Ouyang J.， Na N.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（30）， 25621—25628
39	Li S.， Xu L. G.， Ma W.， Wu X. L.， Sun M. Z.， Kuang H.， Wang L. B.， Kotov N. A.， Xu C. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（1）， 306—312
40	Huo M.， Li S. Q.， Zhang P. W.， Feng Y. M.， Liu Y. R.， Wu N.， Ju H. X.， Ding L.， Anal. Chem.， 2019， 91（5）， 3374—3381
41	Meng L. C.， Wang Q. L.， Wang L.， Zhao Z.， Xin G. Z.， Zheng Z. G.， Zhou P.， Li P.， Jiang Y.， Li H. J.， Mater. Today Bio.， 2021， 12， 100157
42	Xu J.， Li H. H.， Arumugam S. S.， Rong Y. W.， Wang P. Y.， Chen Q. S.， Spectrochim. Acta A， 2022， 265（15）， 120341
43	Rabie H.， Zhang Y. X.， Pasquale N.， Lagos M. J.， Batson P. E.， Lee K. B.， Adv. Mater.， 2019， 31（14）， 1806991
44	Huang L. N.， Chen F.， Zong X.， Lu Q. J.， Wu C. Y.， Ni Z. Q.， Liu M. L.， Zhang Y. Y.， Talanta， 2021， 227， 122156
45	Chen F.， Lu Q. J.， Huang L. N.， Liu B. W.， Liu M. L.， Zhang Y. Y.， Liu J. W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（10）， 5453—5458
46	Qu A. H.， Sun M. Z.， Xu L. G.， Hao C. L.， Wu X. L.， Xu C. L.， Kotov N. A.， Kuang H.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2019， 116（9）， 3391—3400
47	Ma W.， Fu P.， Sun M. Z.， Xu L. G.， Kuang H.， Xu C. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（34）， 11752—11759
48	Zhao J.， Di Z. H.， Li L. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（32）， e202204277
49	Zhao J.， Gao J. H.， Xue W. T.， Di Z. H.， Xing H.， Lu Y.， Li L. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（2）， 578—581
50	Zhao J.， Chu H. Q.， Zhao Y.， Lu Y.， Li L. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（17）， 7056—7062
51	Zhao J.， Li Y. H.， Yu M. M.， Gu Z. J.， Li L. L.， Zhao Y. L.， Nano Lett.， 2020， 20（2）， 874—880
52	Yang Z. L.， Loh K. Y.， Chu Y. T.， Feng R. P.， Satyavolu N. S. R.， Xiong M. Y.， Huynh S. M. N.， Hwang K.， Li L. L.， Xing H.， Zhang X. B.， Chemla Y. R.， Gruebele M.， Lu Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（50）， 17656—17665
53	Li C. Y.， Zheng B.， Kang Y. F.， Tang H. W.， Pang D. W.， ACS Sens.， 2020， 5（1）， 199—207
54	Zhou B.， Dong Y. C.， Liu D. S.， ACS Appl. Bio Mater.， 2021， 4（3）， 2251—2261
55	Li C. Y.， Liu J. X.， Liu Y. H.， Gao J. L.， Chen Y. L.， He J. W.， Xin M. K.， Liu D.， Zheng B.， Sun X. M.， Anal. Chem.， 2022， 94（13）， 5450—5459
56	Zhao T. T.， Gao Y. H.， Wang J.， Cui Y. Y.， Niu S. Y.， Xu S. H.， Luo X. L.， Anal. Chem.， 2021， 93（36）， 12329—12336
57	Li D.， Zhao T. T.， Chen J.， Shi J. H.， Wang J. H.， Yin Y.， Chen S. W.， Xu S. H.， Luo X. L.， Anal. Chem.， 2022， 94（41）， 14467—14474
58	Mi Y. S.， Zhao J.， Chu H. Q.， Li Z. X.， Yu M. M.， Li L. L.， Anal. Chem.， 2021， 93（4）， 2500—2509
59	Saminathan A.， Zajac M.， Anees P.， Krishnan Y.， Nat. Rev. Mater.， 2022， 7（5）， 355—371
60	Bonora M.， Wieckowski M. R.， Sinclair D. A.， Kroemer G.， Pinton P.， Galluzzi L.， Nat. Rev. Cardiol.， 2019， 16（1）， 33—55
61	Zhao J.， Li Z. X.， Shao Y. L.， Hu W. P.， Li L. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（33）， 17937—17941
62	Shao Y. L.， Zhao J.， Yuan J. Y.， Zhao Y. L.， Li L. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（16）， 8923—8931
63	Yu F. Z.， Shao Y. L.， Chai X.， Zhao Y. L.， Li L. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（28）， e202203238
64	Garfield D. J.， Borys N. J.， Hamed S. M.， Torquato N. A.， Tajon C. A.， Tian B.， Shevitski B.， Barnard E. S.， Suh Y. D.， Aloni S.， Neaton J. B.， Chan E. M.， Cohen B. E.， Schuck P. J.， Nat. Photon.， 2018， 12（7）， 402—407
65	Xiong L. Q.， Chen Z. G.， Yu M. X.， Li F. Y.， Liu C.， Huang C. H.， Biomaterials， 2009， 30（29）， 5592—5600
66	Park Y. I.， Lee K. T.， Suh Y. D.， Hyeon T.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44（6）， 1302—1317
67	Liu L.， Wang S. F.， Zhao B. Z.， Pei P.， Fan Y.， Li X. M.， Zhang F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（25）， 7518—7522
68	Cheng L.， Wang C.， Liu Z.， Nanoscale， 2013， 5（1）， 23—37

[1]	王君旸, 刘争, 张茜, 孙春燕, 李红霞. DNA银纳米簇在功能核酸荧光生物传感器中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220010.
[2]	储彬彬, 何耀. 硅基纳米探针用于眼部疾病的成像检测与治疗[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220546.
[3]	叶卓, 吉墨轩, 刘定斌. 动脉粥样硬化光学成像探针研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220556.
[4]	卢美如, 张宏宇, 石百媚, 孙茂忠, 徐丽广, 胥传来, 匡华. 手性纳米材料: 生物成像、生物传感与治疗[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220683.
[5]	张钤, 刘雅薇, 王帆, 刘凯, 张洪杰. 稀土纳米材料在高分辨活体成像及诊疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220552.
[6]	唐玉静, 胡敏, 王霞, 王启刚. 载酶纳米催化体系用于疾病诊疗的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220640.
[7]	朱兆田, 李圣凯, 宋明慧, 蔡芯琪, 宋志灵, 陈龙, 陈卓. 多功能金属石墨纳米囊的生物医学应用进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2701.
[8]	黄池宝, 康帅, 潘淇, 吕国岭. 衍生于咔唑的双氰基二苯代乙烯型双光子荧光脂筏探针[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2443.
[9]	徐梦祎, 黄雪雯, 李小杰, 魏玮, 刘晓亚. “串珠状”复合纳米组装体修饰丝网印刷电极构建的生物传感器[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1768.
[10]	王博东, 潘美辰, 卓颖. 二氧化硅纳米颗粒表面原位还原银纳米簇电化学发光传感界面的构建与分子识别[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3519.
[11]	胡灵, 殷垚, 柯国梁, 张晓兵. 基于DNA纳米结构的细胞间相互作用的调控[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3284.
[12]	柯梦婷, 袁江培, 张恒, 方煜. 多孔配位聚合物靶向亚细胞器用于生物成像和诊疗[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3295.
[13]	张嘉懿, 丁臻尧, 王丹丹, 陈礼平, 封心建. 基于多孔金结构的三相界面酶电极的制备及高效电化学酶传感性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3167.
[14]	公少华, 张霞, 李娜, 唐波. 荧光纳米探针用于细胞器pH检测的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1933.
[15]	彭伙, 高则航, 廖承悦, 王晓冬, 周洪波, 赵建龙. 一种用于核酸绝对定量检测的高鲁棒性液滴式数字PCR芯片[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1760.