【分析】三维DNA步行器纳米探针用于阿尔茨海默病早期诊断

来源：X一MOL资讯

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阿尔茨海默氏病（AD）是一种进行性发展的神经系统退行性疾病，是老年人最常见的痴呆症形式。目前尚无针对AD的特效药物，但早期诊断与治疗有利于减轻神经损伤、延缓疾病症进展。AD起病隐匿，认知测试、神经影像学检查等常用诊断方法不适用于AD的早期诊断。因此，迫切需要有效的早期评估手段用于AD的监测。β淀粉样蛋白（Aβ）是AD典型病理特征——老年斑（SP）的主要成分，也是AD早期诊断的特异性生物标志物。Aβ具有单体、寡聚体、纤维等多种形式，其中游离的Aβ寡聚体（AβO）的神经毒性最强。近年来，已经报道了一些检测Aβ的方法，但大多存在灵敏度低、操作过程复杂、无法区分出AβO或需要昂贵抗体靶向等问题。因此，需要开发一种高灵敏度、高选择性、高稳定性的新方法用于检测AβO，这对AD的早期诊断和治疗评估具有重要意义。
为了解决上述问题，徐州医科大学药学院高丰雷副教授团队在Analytical Chemistry 上报道了一种靶向AβO的3D DNA Walker纳米探针，具有信号放大效应，不仅能够在体外定量检测AβO，还可以在细胞和活体水平获得AβO原位成像，从而为AD的早期诊断提供重要参考依据。探针中使用的金纳米粒子（AuNP）是最稳定的生物相容性纳米材料之一，具有高表面体积比和高DNA装载率。尤其是直径在10~100 nm范围内的AuNP，可作为DNA的载体保护其免遭核酸酶的降解，并能够自由进出细胞而无需转染。此外，探针中的适配体（Aptamer）具有特异性识别功能，其与传统抗体相比，拥有诸多突出优势，包括亲和力强、目标范围广、化学结构稳定、易于制备、安全经济等。

图1. 基于3D DNA Walker纳米探针的AβO超敏检测和细胞/活体原位成像的示意图
本研究设计一种了3D DNA Walker纳米探针，该探针是由AβO适配体、Zn2+特异性DNA酶（DNAzyme）行走链、荧光标记的底物链、AuNP组成。其中，适配体作为阻断链对DNAzyme进行封锁，底物链末端荧光因靠近AuNP而被猝灭。当存在靶标AβO时，封锁行走链的适配体与AβO特异性结合，行走链中的DNAzyme解除封锁后催化活性恢复，在Zn2+的辅助下开始切割底物链，释放出荧光标记的底物链片段，荧光因远离AuNP而得以恢复。随后，行走链中的DNAzyme会自动结合并切割下一个底物链，即在AuNP表面自主行走，产生大量荧光信号。该方法具有高灵敏度、高特异性和直观可视化的优点，避免使用昂贵且不稳定的抗体，选择适配体作为识别元件靶向AβO，整个过程无需外部添加燃料链或蛋白质酶，最终能够产生大量荧光DNA片段，实现信号扩增。

图2. 3D DNA Walker纳米探针的表征与稳定性
本研究使用的AuNP的直径约为13 nm，呈球形，分布均匀，没有明显的聚集。当DNA功能化AuNP形成3D DNA Walker纳米探针后，其直径仅增加至25 nm，尺寸较小，更易进入生物组织及细胞内。3D DNA Walker纳米探针具有良好的稳定性，在多种介质中能稳定存在，可用于检测不同环境中的AβO。

图3. 3D DNA Walker纳米探针定量检测AβO
3D DNA Walker纳米探针在AβO体外定量检测中，展现出优异的性能，其灵敏度高于已报道的许多检测方法，能够满足痕量AβO检测的需求。此外，测试AβO及各类相似干扰物或共存物质对纳米探针的响应，3D DNA Walker纳米探针表现出对AβO的高度特异性，这主要归因于纳米探针中适配体出色的靶向作用。

图4. 3D DNA Walker纳米探针原位成像细胞内AβO的可行性
本研究进一步阐明，3D DNA Walker纳米探针能够在活细胞中成功运行，产生信号放大效应，显微镜下可见鲜红色的荧光信号。因此，探针可以在细胞环境中对AβO进行准确定位并可视化其分布，动态监测其聚集变化。

图5. 3D DNA Walker纳米探针在小鼠脑部的荧光成像及组织学观察
3D DNA Walker纳米探针能够作为成像剂对活体内的AβO进行荧光成像，有效区分AD小鼠和正常小鼠，从而构建起活体成像的诊断平台。注射探针后的小鼠，其主要器官均未发现明显的组织病理学异常，证实3D DNA Walker纳米探针具有良好的生物安全性。