杂交链式反应（Hybridization Chain Reaction, HCR）是一种无酶催化、高效率、高灵敏的等温扩增方法，在生物传感、生物成像、医学等领域具有广阔的应用前景。考虑到HCR的靶标驱动特性，HCR的选择性对精准信号放大具有重要意义。目前的HCR体系一般通过核酸的序列选择性、靶标与配体的特异性相互作用等来实现靶标与类似物的区分。尽管这些方法表现出良好的生物传感性能，但在生物靶标与类似物过于相似的情况下无法实现精准的信号放大。例如，细胞内microRNAs（miRNAs）的原位生物传感在生命科学研究和疾病诊断等领域具有重要意义。科研人员已报道了许多细胞内miRNA触发的HCR探针，取得了重要进展。然而，由于microRNAs前体（pre-miRNAs）的部分序列与miRNAs成熟体完全一致，这些基于传统碱基互补配对原则而设计的探针也会对pre-miRNAs产生响应，对miRNAs成熟体的检测结果造成干扰。因此，开发一种细胞内miRNAs成熟体精准驱动的HCR探针，有望降低microRNAs前体的信号干扰，实现细胞内miRNAs成熟体的高选择性、高灵敏度成像。![]()
图1. 用于细胞内精准信号放大的尺寸选择性杂交链式反应探针（qTcage）为此，作者利用miRNAs成熟体（19–23 nt）和microRNAs前体（60–70 nt）在尺寸上的显著差异，开发了一种具有尺寸选择性的杂交链式反应探针（qTcage），实现了癌细胞中miRNAs成熟体的精准生物成像。如图1所示，作者设计了一种在纳米尺度上可以精确调控空腔尺寸的DNA纳米笼。基于DNA纳米笼的尺寸选择性，较短的miRNAs成熟体可以进入空腔置换出引发链，从而激活HCR反应以恢复荧光信号；而pre-miRNAs的尺寸较大，难以进入空腔，因此无法激活HCR。结果表明（图2），对于qTfree（没有DNA纳米笼，作为阴性对照），在不同长度靶标的存在下，其荧光强度没有明显差异；而qTcage探针随着靶标长度的增加，荧光强度逐渐降低，证明了qTcage探针优异的尺寸选择效果。与qTfree探针相比，qTcage探针在pre-miR-21存在下的荧光信号显著减弱，表明qTcage能够显著降低pre-miR-21带来的干扰。进一步的细胞实验表明，qTcage探针在细胞内也有良好的尺寸选择效果，显著降低了细胞内miRNA成熟体成像过程中来自pre-miRNA的干扰。总体而言，基于尺寸选择性的杂交链式反应实现活细胞内miRNA成熟体的精准信号放大，也为其他重要生物分子的精准信号放大和临床诊断提供了新思路。![]()
图2. qTCage探针实现癌细胞中miRNAs成熟体的高选择性、高灵敏度检测该成果以“Size-selective hybridization chain reaction for accurate signal amplification in living cancer cells”为题，最近在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-024-2294-x）。论文第一作者为湖南大学化学化工学院博士研究生陈婷，通讯作者为湖南大学化学化工学院柯国梁教授。该文将收录于2024年新锐科学家专刊中。扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。
![]()
柯国梁，湖南大学教授、博士生导师，化学生物传感与计量学国家重点实验室研究骨干，国家优秀青年基金获得者。分别于2010年和2016年获得厦门大学理学学士和理学博士学位，2013～2015年赴美国亚利桑那州立大学联合培养。主持国家优秀青年基金、湖南省杰出青年基金等项目，担任美国化学会Analytical Chemistry等期刊青年编委，曾获湖南省化学化工学会青年化学化工奖。主要致力于生物传感、DNA纳米技术、CRISPR研究，研究成果以第一或通讯作者发表在Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Cent. Sci.、Nano Lett.、Chem. Soc. Rev.等期刊上。【扩展阅读】
2024年《中国科学：化学》中英文刊优秀论文评选结果发布！
《中国科学：化学》2024年上半年最受关注微信文章
Sci. China Chem.影响因子10.4 || 开启高质量发展新征程
Sci. China Chem.文章精选：探针与传感
湖南师范大学熊二虎等：基于分裂型crRNA的CRISPR-Cas12a系统对RNA的高灵敏检测研究
Jong Seung Kim院士、孙耀教授、杨文超教授合著综述：近红外荧光探针点亮植物
谭英、刘晓刚、尹军三个课题组合作成果：多转子和氢键作用协同策略构建高敏感近红外粘度探针
厦门大学黄维院士、李林教授课题组：基于新型荧光抑制剂探针的胶质瘤MAO-A组学分析与超分辨成像
武汉大学张先正教授团队：重塑肿瘤细胞膜促进CAR-T细胞抑制实体瘤
张晓兵课题组：自定位成像策略实现细胞内生物活性小分子的原位示踪
刘磊等多位专家合著综述：蛋白质化学合成方法和生物医学应用研究进展
