2025 CASH丨鞠熀先教授：纳米生物传感技术的革新与应用

健康 2025-01-26 18:02 北京

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编者按

南京大学生命分析化学全国重点实验室主任鞠熀先教授在第五届中国血液学科发展大会（2025 CASH）上分享了“细胞功能分子的原位检测及其癌症诊治应用”方面的研究成果，涉及生物分子识别、生物传感信号开关及信号放大策略的设计与应用，展示了癌症精准医疗的重要意义与潜在价值。《肿瘤瞭望-血液时讯》特整理成文，以飨读者。

纳米生物传感技术的核心是通过生物分子的识别、生物传感信号开关与信号放大实现生物信息的提取，具有高特异性和高灵敏度两大特性。其开发和应用的内容主要涉及：在微观和纳米界面上构建对生物小分子和蛋白质、核酸与糖等生物大分子的识别元素；基于人工识别元素和合成的材料构建生物传感的信号开关；对于低丰度的待测靶标生物标志物分子，需要进一步设计信号放大策略，以实现高灵敏检测与微弱生物信号的提取。

纳米生物传感的主要过程如下图所示：待测靶标分子被界面上识别元素识别后会在传感界面上结合，产生电子得失、光子辐射、能量转移、质量传导、电磁波等过程，这些过程可转化为化学或物理的传感信号，对于不能产生可检测信号的靶标分子，可通过酶、染料等标记技术设计信号开关。实现高灵敏信号转换与检测的核心则是通过纳米或生物技术进行信号放大。鞠熀先教授研究组早在1997年就率先将纳米技术引入电化学生物传感，增强了识别元素对待测靶标分子的亲和力，提高了生物传感器的检测灵敏度；尔后提出纳米粒子蛋白质功能化的简易方法，实现了蛋白质分子在电极上的直接电化学，创建了安培生物传感新原理；并以纳米材料为模拟酶、信号标签与信号分子载体，系统构建了“纳米信号放大”策略，逐渐形成纳米生物传感研究领域，引领量子点电致化学发光生物传感方向的发展，解决了生物传感灵敏度的瓶颈，创建了蛋白质标志物的高灵敏电化学与化学发光免疫分析方法，实现了核酸标志物的高灵敏检测。

生物分子检测及其介导的诊治应用主要包括体外传感分析和原位在体检测两方面。鞠教授团队发展的体外检测方法所涉及的对象包括离子、神经递质、单糖、氨基酸等生物小分子，提出了一系列高特异性核酸检测和蛋白质免疫分析方法，创建了细胞毒效应研究与电化学药敏检测新原理。鉴于肿瘤标志物在临床诊断应用的特异性欠佳，该团队提出免疫传感与多标志物同时检测的信号分辨新概念与分析新方法，为联合诊断奠定了方法学基础。为从根本上解决这一问题，该团队开展细胞功能分子的原位检测技术研究，创建高灵敏细胞分析与细胞信号提取方法，涵盖蛋白质、糖、核酸等生物大分子，旨在实现特异性标志物的甄定与高效诊治，以满足临床在肿瘤癌症诊断等方面对分子信息的需求。涉及的细胞功能分子包括细胞分泌分子、细胞膜分子、细胞内分子。鉴于肿瘤标志物和肿瘤诊治与糖的密切关系，鞠教授团队于2007年选定细胞表面聚糖作为主要研究对象，开创细胞表面糖基的原位检测方向，做出了该领域的奠基性工作，并发展了基于生物分子识别与信号放大策略的标志物筛选、肿瘤治疗及疗效监测的相应方法，实现了细胞内功能分子介导的高效光动力治疗、光热治疗、基因治疗、化疗、免疫治疗和诊治一体化。

会议分享的主要研究成果

细胞膜表面分子的原位检测

糖基检测

近三十年来，聚糖受到科学界的广泛关注，被认为是继核酸和蛋白之后的“第三条生命链”。聚糖的生物学意义和功能是组成生命信息完整拼图的必要组成部分。然而，聚糖不由基因编码，其原位分析受限于“缺乏空间特异性的分析工具”。针对这个问题，鞠熀先教授、丁霖教授研究团队专注于实现聚糖标记和分析的“空间特异性”，从设计“局域酶催化聚糖标记”工具出发，建立了局域空间内聚糖的信号放大和定量分析新原理，进一步实现了蛋白特异的聚糖编辑和细胞聚糖重塑，为揭示和干预聚糖功能，发展靶向聚糖的疾病治疗方法提供了全链条研究工具。

研究组首先设计“一分子两表面”竞争识别策略，通过构建凝集素功能化的量子点探针和甘露聚糖单分子层，利用细胞表面甘露聚糖与该单层竞争识别量子点探针，发展了细胞表面糖基原位检测的阳极溶出伏安技术（J. Am. Chem. Soc. 2008，130, 7224-7225）。进一步用阵列电极构建了细胞表面多种聚糖的同时原位检测方法，通过监测抗癌药物温育细胞后表面聚糖的变化，实现了抗癌机制的研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6465-6468）。

设计基于上转换纳米材料（UNP）单激发-多发射的共振能量转移体系（D-LRET），实现了特定糖蛋白（MUC1）上两种糖基（唾液酸和岩藻糖）的同时成像检测，为研究蛋白质糖基化过程的信号转导机制提供了有力的工具，有助于开发新的基于聚糖表达的肿瘤标志物和治疗靶标（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 128, 5306）。

针对糖基新陈代谢标记存在的问题，开发了局域聚糖化学重构（LCM）策略和细胞表面糖基原位检测新方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 8139），其独特优势包括仅标记目标蛋白的目标聚糖、利用化学反应显示蛋白-聚糖的邻近表达，且标记时间短，为不同细胞系特定蛋白上糖型表达的研究提供了重要工具和方法模型。

提出 DNA分级编码策略（HieCo），可对细胞表面特定蛋白上多种单糖同时成像，通过DNA杂交事件巧妙报告分子内邻近表达，突破了传统荧光共振能量转移（FRET）技术的距离限制，并借助编码技术标记特定蛋白、聚糖等，还可以通过催化发夹组装（CHA），解决同时检测特定蛋白上多种聚糖的难题（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12007），被Nature (2018)专栏评价“具有很大潜力，为发展绿色荧光蛋白标记的类似系统走出了重要的一步”。

针对2021年发现的细胞表面低丰度糖基化RNA的检测需求，鞠教授将其创建的DNA分级编码策略与HCR信号放大结合，实现了活细胞表面特定RNA上的唾液酸化成像。通过比较解码前后的同一细胞表面荧光强度的变化，结合体外实验测出的RNA上唾液酸的新陈代谢标记和点击反应效率，计算出单个Y5 RNA上的唾液酸个数，并根据N-糖结构特点推算出不同RNA上N-糖基化位点数量（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 8780−8786）。

电致化学发光（ECL）成像

ECL集成化学发光高灵敏度和电化学电位可控的优点，在分析化学与临床医学中得到广泛的应用。鞠教授研究团队利用共轭结构中分子内双电子转移增强的机理，设计了一种共反应剂内嵌的聚合物量子点（Pdots），开发了ECL效率高于经典的钌联吡啶-共反应剂体系（Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 10446），发现并利用黑磷量子点的ECL新机制，构建了细胞表面整合素抑制剂评估的ECL方法（Nat. Commun. 2022, 13, 7302) ，为ECL在单细胞分析和生命活动动态研究中的应用开辟了新的途径。

细胞内功能分子的原位检测

微小核糖核酸（microRNA）

开发了一种新型多功能二氧化锡（SnO₂）纳米探针（mf - SnO₂），包含可靶向细胞的叶酸（FA）和分子信标（MB）DNA探针或小干扰核糖核酸（siRNA）探针，其递送过程和细胞内反应可通过荧光进行可视化。使用四甲基偶氮唑盐（MTT）测定法对mf - SnO₂的细胞毒性进行了考察。为了确认mf - SnO₂由叶酸受体（FR）介导的转染，进行了与游离叶酸的竞争性结合试验以及不存在叶酸情况下的mf - SnO₂ 转染试验。利用该探针鞠教授团队首次实现了细胞内miRNA的原位定量（Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4607–4612）。

mRNA

设计了一种靶标响应的DNA纳米灯串结构（DNSL），通过DNA级联反应实现了活细胞中mRNA的快速和高灵敏检测（ACS Nano 2018, 12, 263）。DNA纳米灯串结构（DNSL）由通过滚环扩增产生的具有重复序列片段的DNA纳米线和可与其间隔杂交的DNA发卡探针对（H1和H2）组成。DNA级联放大反应可显著提高反应效率、缩短反应时间、降低反应检测限，为活细胞成像开创了有效的检测平台，并具有潜在的疾病诊断和治疗应用。

端粒酶

设计了一种端粒酶响应的介孔二氧化硅纳米粒子（MSN），以实现细胞内端粒酶活性的原位“关 - 开”成像。使用包含端粒与CCCTAA的DNA序列来封闭MSN。在MSN探针中，黑洞荧光淬灭剂共价固定在介孔的内壁上，而荧光素则装载在介孔中。在端粒酶和脱氧核糖核苷三磷酸（dNTPs）存在的情况下，端粒可延伸出TTAGGG序列，与CCCTAA形成刚性发夹DNA结构，而从MSN表面脱落，释放出MSN探针中的荧光素，从而实现“关-开”可切换的荧光成像（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13282–13285）。

为克服上述MSN探针在水中稳定性对检测结果的影响，该课题组进一步设计带切口和端粒的发卡结构并组装在金纳米粒子上，利用金纳米粒子对染料荧光的淬灭作用，提出一种信号稳定的金纳米探针，实现了细胞内端粒酶活性的原位成像与长时间监测（J. Am. Chem. Soc. 2014，136, 8205-8208）。

细胞分泌物的原位检测

基于前期构建的共反应剂内嵌的Pdots，结合单细胞微流控阵列，构建了定量检测单细胞分泌多巴胺的ECL成像平台。该阵列将单个细胞及其分泌的多巴胺捕获于微孔中，形成独立微室，实现了对单细胞分泌多巴胺的检测，揭示了单细胞的异质性（Biosens. Bioelectron. 2022, 201, 113959)。

发展了细胞分泌物的质谱原位检测策略，通过在活细胞膜上插入触角状的质谱纳米探针，对多种酶的分泌过程进行原位动态生物传感。所用的质谱纳米探针包含用于细胞锚定的插入基团和丰富的底物多肽作为质量编码，可以便捷、快速地捕获细胞分泌的目标酶，并进行原位MALDI-TOF MS检测。选取基质金属蛋白酶 MMP-2和 MMP-9为模型，证明了这一原位监测方案具有快速、高通量的优势，并用于药物作用效果的评估（Nano Today 2023, 50, 101889）。

细胞内功能分子介导的诊疗应用

鞠熀先教授团队自2012年开始将分子识别与信号放大策略用于该领域，通过设计刺激响应机制，实现细胞内功能分子介导的诊治一体化。他们引入重原子Se和pH敏感基团，设计了增敏型近红外光敏剂，提出pH介导的肿瘤靶向高效光动力治疗新方法（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18850）；进一步将pH敏感的荧光分子和光敏剂封在适配体修饰的泡囊中，构建了一种集靶向识别、光动力治疗和疗效实时成像监测于一身的纳米探针与癌症诊治方法，实现了胞内功能分子介导的癌症诊治一体化（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9544），有效避免了癌症过度治疗，提高了疗效。为解决癌症光动力治疗中肿瘤微环境厌氧问题，鞠熀先教授团队提出能量集中域的概念，以增强发光能量转移效率（LRTE）与发光强度，发展了细胞内功能分子的高灵敏荧光检测方法与光动力治疗技术（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 12117）。

为实现早期癌症的精准光动力治疗，他们用上转换纳米粒子设计了一种光响应性DNA“光拉链”，研制成近红外光开关的miRNA放大器，在808 nm激光照射下，UCNPs发射出紫外光，切断“光拉链”使其脱落，从而暴露出miRNA-21识别区域，发生级联杂交反应，放大激活放大器中修饰的光敏剂PPa'，在早期癌症的精准治疗领域有着良好的应用前景（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21454-21459）。

细胞膜是隔离细胞与外部环境的天然屏障，通过核酸适配体与膜蛋白结合，可以使DNA纳米机器在细胞膜表面进行逻辑运算而产生输出信号。利用这一原理，该团队利用核酸适体与细胞表面两种特定受体的结合，形成双锁结构，提出双受体介导的siRNA运载体系，实现了细胞亚型的区分，以及低毒、高效的siRNA运载，解决了药物递运与可控释放难题，提高了癌症基因治疗的精准度与治疗效果（Nat. Commun. 2016, 7, 13580）。进一步设计了一种跨细胞膜进行DNA逻辑门运算的纳米机器，其两步DNA运算分别在细胞膜上与细胞质内完成，有效避免了DNA纳米探针在实体瘤微环境中的非特异性激活，实现了活体内实体肿瘤的精准光动力治疗（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15233-15242）。

基于该团队提出的局域聚糖化学重构（LCM）策略和免疫治疗与细胞表面聚糖结构的相关性，该团队近期发展了双聚糖重构与穿孔蛋白结合的三重增强免疫治疗策略（Adv. Sci. 2014, 11, 2304971）和功能树状探针对唾液酸的超半乳糖化增强免疫杀伤作用技术（Angew. Chem. Int. Ed. 20224, e202319849），为增强免疫治疗效果提供了新途经。

鞠熀先教授团队以解决癌症精准诊治中的关键科学问题为核心目标，始终坚持“四个面向”，不断拓展生物传感新领域，创建细胞信号提取与功能生物分子的原位定量方法，在纳米生物传感及其诊治应用方面从体外、细胞与活体三个层面取得创造性与引领性成果，实现了癌症诊治一体化与肿瘤等重大疾病的精准诊治新范式。首先，大力发展信号放大策略与功能生物分子的高效检测方法，这一举措旨在从细胞和分子层面深入揭示生命过程的信息细节，为全面理解癌症相关的生命过程奠定坚实的理论基础。其次，构建分子识别体系，并推动识别技术、标记策略以及分子影像探针的创新发展，这对于实现细胞及活体内肿瘤标志物的精确测量至关重要，精准的测量能力直接关乎癌症的早期发现与准确诊断。最后，致力于多模态融合的影像探针与成像技术的研发，通过整合光学成像、核素成像、磁共振成像、CT成像以及超声成像等多种成像技术，建立连续且动态的分析方法体系，以期获取更为丰富、精确的生物信息。这一技术的实现将极大提升活体分析中的灵敏度、分辨率及准确性，实现多功能成像的高标准要求，最终为癌症的精准诊治提供强有力的技术支撑，推动疾病诊断精准度的显著提升。

鞠熀先教授

南京大学生命分析化学全国重点实验室主任

南京大学教授，生命分析化学全国重点实验室主任，国际电化学会会士、英国皇家化学会会士、中国化学会会士。1986、1989、1992年分别获南京大学理学学士、硕士与博士学位后留校任教，1993年聘为副教授。1996-1997年加拿大Montreal大学博士后，1999年任教授，2003年获国家杰出青年科学基金，2007年教育部长江学者、“新世纪百千万人才工程”国家级人选，2009年为973计划项目首席科学家，2005-2014年为国家自然科学基金创新研究群体的负责人，2011年获国务院政府特殊津贴。研究方向为生物分析化学与分子诊断，主要研究领域为纳米生物传感、细胞分析化学、生物成像和临床分子诊断。发表论文963篇（IF>5刊物685篇）；申请专利102件（已授权62件），出版英文专著4部、编著4部，中文专著、教材7部，专章20篇。至2025.1.10论文被SCI刊物引用49183次（他引47311次），h-index为110 (Google Scholar h-index为121，引用>56300次)。

鞠熀先教授兼任中国仪器仪表学会分析仪器分会副理事长、电分析化学专家组主任、化学传感器专家组副主任；中国化学会分析化学学科委员会副主任、有机分析专业委员会副主任；中国生物工程学会生物传感-生物芯片-纳米生物技术专业委员会副主任，中国药理学会分析药理学专业委员会副主任，中国新材料发展产业联盟副理事长；中国生物物理学会糖生物学分会委员；江苏省化学化工学会分析化学专业委员会主任、质谱专业委员会副主任；江苏省分析测试协会副理事长。《Front. Chem.: Anal. Chem.》、《Targets》主编，《Sensors》、《J. Anal. Testing》、《EngMedicine》、《Universal J. Electrochem.》等刊副主编，《Bioelectrochemistry》《Electroanalysis》、《Trends Anal. Chem.》、《Biosensors and Bioelectronics: X》、《Anal. Lett.》、《化学学报》、《分析化学》、《Chemosensors》、《Open Biomarkers J.》、《BMEMat》等刊编委。曾为重庆医科大学、海南医科大学、济南大学兼职教授、博士生导师，《Sci. China: Chem.》、《Chin. J. Chem.》、《Sci. Rep.》、《Am. J. Biomed. Sci.》等编委。

鞠熀先教授曾获中国化学会青年化学奖与梁树权分析化学基础研究奖、江苏省青年科学家奖称号、美国化学会2022 年先进测量科学讲座奖、2019年中国化学传感器首届雷磁杰出成就奖。研究成果获2001、2009、2013年教育部自然科学一等奖3项，2011、2014、2016年江苏省科学技术一等奖3项，2008、2009、2019、2022年江苏省科学技术二等奖4项，2015、2018年江苏省科学技术三等奖2项，2008、2009、2014、2023年获中国分析测试协会科学技术一等奖4项。参与获得2017年重庆市科学技术一等奖，2020、2021年广西科学技术三等奖、二等奖各1项，2024年山东省自然科学二等奖和教育部科技进步三等奖2项。

（来源：《肿瘤瞭望–血液时讯》编辑部）

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