综述：DNA酶生物传感器：设计、临床应用、性能优化及未来前景的前沿

DNAzymes作为新型生物传感器具有高特异性、可设计性和成本效益，广泛应用于肿瘤标志物检测、病原体识别及金属离子成像，通过优化信号放大、结构稳定化和抗干扰策略提升性能，未来将发展为细胞集成式智能诊疗平台。

　　

雷关|赵静远|杨正|李向婉|李思|洪媛|隋丽

中国大连医科大学第一附属医院

摘要

DNA酶是一种具有催化作用的单链DNA分子，它将核酸的可编程性和稳定性与酶的活性结合在一起。这些特性使得DNA酶成为下一代生物传感器中用于识别和信号放大的理想候选者。它们具有高特异性、设计灵活性以及成本效益高的生产方式。本文对DNA酶生物传感器进行了系统分析，首先介绍了其基本设计原理和核心分类，详细阐述了目标识别、催化激活和信号转导的模块化逻辑。随后，总结了其在诊断领域的应用，包括对肿瘤生物标志物的高灵敏度检测和活细胞成像、病原体的特异性鉴定以及细胞内金属离子的动态监测。最后，讨论了性能优化策略，如先进的信号放大级联、稳定性增强修饰和抗干扰纳米器件设计。通过综合当前挑战和新兴解决方案，本文展望了DNA酶技术的发展前景，从工程化分子工具到智能集成系统，并强调了其在精准医疗和现场检测中的变革潜力。

引言

传统的生物传感器利用抗体或酶等生物识别元件，在医学诊断和环境监测中得到了广泛应用。然而，它们的实际应用往往受到固有缺陷的限制，如稳定性低、生产成本高、易受基质干扰以及检测灵敏度有限。这些缺陷导致传感器的使用寿命短且储存要求严格。此外，抗体和酶的生产和纯化过程复杂且成本高昂，显著增加了平台的运营成本[1,2]。在灵敏度方面，传统生物传感器通常缺乏有效的信号放大机制，这导致对极低浓度目标（如早期疾病生物标志物或微量环境污染物）的检测响应不足。此外，在血液或废水等复杂实际环境中使用时，这些传感器常常因共存物质的干扰而影响其特异性和准确性[[1], [2], [3], [4]]。

DNA酶是能够折叠成复杂三维结构的功能性DNA分子，能够催化多种生化反应[5]。1994年，Breaker和Joyce通过体外筛选从随机序列DNA文库中分离出了这种能够切割RNA的DNA分子[6]，这一发现为生物传感领域引入了一种多功能工具，将核酸的可编程性与酶活性相结合。在过去三十年中，由于DNA酶具有高酶稳定性、序列设计可调性和合成成本低等优点，它们被广泛用于生物传感[7]。本文对DNA酶生物传感器与传统基于抗体和酶的检测平台进行了全面比较（表1）。

这些优势直接解决了上述问题：（1）高可编程性使得基于碱基配对规则的目标识别更加精确；（2）DNA骨架的生物稳定性优异，可通过化学修饰进一步提高；（3）通过体外筛选和可扩展的固相合成实现低成本生产；（4）内在的催化转化能力实现信号放大，从而实现高灵敏度检测[7]。本文系统概述了DNA酶生物传感器的设计原理、核心类型和前沿诊断应用。基于DNA酶的生物传感器已广泛应用于三个主要临床领域（图1）：肿瘤学（肿瘤生物标志物和miRNA的检测）、传染病（细菌和病毒病原体的鉴定）以及微量元素分析（细胞内金属离子如Zn²⁺、Pb²⁺和Na⁺的成像和定量）。在此概述之后，我们讨论了优化灵敏度、稳定性和抗干扰能力的关键策略，并分析了当前面临的挑战和未来发展方向。更重要的是，我们提出了一条包含三个阶段的发展路线图：工程化和标准化、集成到细胞芯片中以及作为可编程生命调控平台的应用。这一观点综合了现有知识，为未来研究提供了明确的方向，旨在弥合体外表现与体内可靠功能之间的差距。

部分内容

目标识别模块

根据识别机制，DNA酶可以分为两大类。第一类是DNA酶本身作为识别元件的系统，例如金属离子依赖型DNA酶[8]。这类DNA酶（如8-17和GR-5变体）由一个催化核心和一个含有单个RNA连接子的底物链（rA）组成（图2）。当与特定目标金属离子（如Pb²⁺、Hg²⁺或Cu²⁺）结合时，DNA酶会

基于DNA酶的肿瘤蛋白生物标志物检测

DNA酶因其高特异性、强催化活性和易于设计而成为肿瘤标志物检测的有前景的工具，能够实现快速、灵敏且低成本的检测。基于DNA酶的生物传感器在多个临床诊断领域具有广泛应用前景，包括肿瘤学、传染病和微量元素分析，在概念验证研究中展现了其多功能性[18]（图1）。

一种突出的方法是电化学方法

优化DNA酶生物传感器性能的策略

近年来，在优化DNA酶生物传感器的三个核心性能指标（灵敏度、稳定性和抗干扰能力）方面取得了显著进展。这些进展促进了信号放大、结构稳定化和干扰抑制的创新策略的发展，为将这些生物传感系统从实验室研究转化为实际应用奠定了重要基础。

当前挑战与未来展望

由于高特异性、低成本和适应性强，DNA酶生物传感器在病原体检测和早期疾病诊断方面显示出巨大潜力。然而，要从实验室原型过渡到临床诊断或即时检测的大规模应用，需要克服关键挑战，如提高灵敏度、增强稳定性和简化操作流程。

总结

总之，DNA酶作为一种多功能且强大的生物传感分子工具，结合了可编程性、催化活性和低成本。本文系统概述了DNA酶生物传感器的基本设计原理、多种分类及其重要的临床应用，特别是在肿瘤生物标志物检测、病原体鉴定和细胞内金属离子成像方面（表2）。此外，还介绍了提高灵敏度的先进策略。

CRediT作者贡献声明

雷关：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。赵静远：指导。杨正：指导。李向婉：指导。李思：指导。洪媛：指导。隋丽：指导。

数据和材料的可用性

本研究期间未生成或分析任何数据集。

资助

本文为综述文章，未获得任何财务支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。