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本综述系统阐述了DNA纳米结构在活细胞内实现智能聚集的最新策略与应用。文章聚焦于如何利用DNA的可编程性与响应性，使其在H+、K+、酶、核酸等特定生物信号刺激下发生可控聚集，并详细介绍了这些智能聚集体在细胞原位生物传感（如凋亡检测、肿瘤诊断）和细胞功能调控（如免疫通路激活、线粒体功能干预）中的前沿应用，为细胞工程和疾病诊疗提供了新工具。
在生命系统中，生物大分子的自聚集过程对维持正常生理功能至关重要。受此启发，在活细胞内构建人工聚集体，对于理解复杂的生命活动机制和精确调控细胞过程具有重要意义。DNA纳米技术因其卓越的可编程性和刺激响应性，为在活细胞内构建智能纳米器件提供了前所未有的机遇，其动态调控能力远超传统材料。
智能聚集的设计策略与响应机制
实现DNA纳米结构智能聚集的核心在于利用细胞内特定的生物信号作为触发器。根据触发信号的不同，主要可分为以下几类：
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pH介导的聚集
细胞内存在天然的pH梯度，如细胞质呈中性（pH≈7.2–7.4），而溶酶体（pH≈5–5.5）等酸性细胞器为DNA聚集提供了内源性触发条件。其分子机制源于功能性核酸模块（如i-motif）的质子化诱导构象变化。在酸性环境下，i-motif序列中的胞嘧啶（C）发生质子化形成C•C+碱基对，并折叠成四链体结构，从而驱动DNA纳米结构从分散状态组装成聚集体；当pH恢复中性时，聚集体可解离，实现可逆调控。研究表明，通过合理设计，此类聚集可实现良好的细胞器（如溶酶体）定位和可逆的尺寸控制。
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K+介导的聚集
钾离子（K+）在细胞质中的浓度（≈140 mM）远高于细胞外液，这一浓度差被用于实现细胞质特异性的聚集。K+介导的聚集主要依赖于DNA分子中鸟嘌呤富集（G-rich）序列与K+的特异性相互作用。在高K+环境下，G-rich序列可折叠形成G-四链体（G-quadruplex），通过G-四链体之间的疏水作用和π–π堆积效应，促使DNA纳米结构发生选择性聚集。通过修饰靶向分子（如线粒体靶向的TPP），可实现聚集的亚细胞定位。
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酶介导的聚集
酶在细胞内的表达水平和活性具有显著的细胞类型和状态特异性（如癌细胞中高表达的端粒酶、凋亡细胞中激活的Caspase-3），使其成为实现靶向聚集的理想“生物分子开关”。酶介导的聚集本质上是酶对DNA或其修饰基团进行特异性切割或延伸反应，从而触发DNA分子间的杂交或构象变化。例如，端粒酶可延伸DNA引物，新合成的链置换出连接链，进而引发DNA框架的组装与聚集；Caspase-3可切割特定的肽段底物，释放出具有互补性的核酸序列，启动杂交链式反应（HCR），形成长的DNA聚合物。
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核酸介导的聚集
非编码RNA（如microRNA, rRNA）的表达水平、序列特征和亚细胞定位具有细胞类型特异性和时空动态性，是实现DNA纳米结构精准聚集的内源性触发器。核酸介导的聚集主要依赖于目标ncRNA与DNA纳米结构上的互补序列之间的沃森-克里克碱基配对。当目标ncRNA存在时，可与DNA上的互补区结合，引发如HCR等组装级联反应，形成长的DNA聚合物并诱导聚集。通过设计抑制链和激活机制，还可实现聚集的双重信号依赖，从而获得极高的空间选择性，例如特异性在线粒体内成像microRNA。
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顺序刺激介导的聚集
为了在复杂的细胞环境中实现更精确的控制，顺序刺激策略应运而生。此类策略要求多种刺激按特定顺序作用才能启动组装，从而显著降低非特异性聚集，提高时空分辨率。例如，一种DNA纳米结构的组装先后受外部紫外光照射（切割光敏连接链）和内源性溶酶体酸性环境（诱导i-motif形成）的核心调控，实现了自噬活动的时空调节。另一种策略则利用溶酶体的酸性环境使预组装的DNA纳米粒子解离成单链，随后单链在酸性环境下重新杂交形成聚集体，从而消耗H+并破坏溶酶体完整性。
细胞生物传感与功能调控的应用
这些智能DNA聚集体在细胞生物传感和功能调控方面展现出广阔的应用前景。
在生物传感方面，它们能够对细胞内生化事件进行实时、原位可视化。例如，Caspase-3响应的DNA组装体系可用于早期评估化疗药物的疗效，其荧光信号强度与细胞凋亡程度直接相关。类似地，通过将响应肽段更换为基质金属蛋白酶-2（MMP2）的底物，该平台可用于检测肿瘤的淋巴结转移，在转移灶处产生特异性强荧光信号。此外，基于核酸响应的聚集体系能够以极高的灵敏度（可达pM级别）和空间选择性（如线粒体特异性）对疾病相关的microRNA等进行成像，为疾病诊断提供了新工具。
在功能调控方面，DNA智能聚集体能够干预细胞器功能、调控信号通路，甚至构建人工细胞器。例如，端粒酶响应的线粒体靶向DNA组装体，通过在线粒体表面形成网络状结构干扰其功能，导致细胞内ATP水平下降，进而诱导癌细胞凋亡并抑制肿瘤生长。pH响应的DNA纳米佐剂在树突状细胞（DC）的溶酶体内自组装聚集，可促进Toll样受体9（TLR9）的簇集，从而显著增强TLR9介导的免疫信号激活，上调共刺激分子和促炎细胞因子的表达。此外，通过合理设计，DNA聚集体还可以扮演“人工过氧化物酶体”的角色，在溶酶体中聚集并发挥抗氧化功能，有效清除活性氧（ROS），维持细胞稳态。还有研究设计了可顺序调控的DNA组装体，能够通过内源酶（如APE1）激活以启动组装，刺激cGAS-STING通路产生免疫应答，并利用外源光照射解离组装体以终止信号，实现了对先天免疫反应的精确“开关”控制。
挑战与展望
尽管DNA纳米结构的智能聚集领域取得了显著进展，但仍面临生物安全性与体内稳定性、高效靶向递送、以及原位动态聚集过程的精确表征等挑战。未来发展方向包括开发更稳定、生物相容性更好的DNA材料，优化递送系统以提高靶向性和内涵体逃逸效率，以及利用超分辨率显微技术等先进手段深入揭示聚集的动态过程。同时，探索更多种类的内源性刺激信号（如其他金属离子、利用适配体构象变化），并整合多种刺激（如光、声、磁）与功能（诊断、治疗、成像），以应对更复杂的生物学场景，推动其在疾病诊疗领域的创新应用。
总之，基于DNA纳米结构的智能聚集体代表了细胞内纳米生物技术的一个充满希望的前沿领域。通过克服当前在安全性、递送和精度方面的挑战，这些系统有望推动人类疾病创新诊断和治疗策略的发展。
