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miRNAs（microRNAs）是一种长度为19-25个核苷酸的非编码RNA，在调控基因的转录和转录后修饰方面具有重要的功能。研究表明，miRNAs参与多种生理过程，例如细胞增殖、分化和凋亡等。miRNAs的异常表达与多种疾病的发生高度相关，包括肿瘤、心血管疾病和神经系统疾病等。由于miRNAs在血液中稳定存在且不容易受到RNA酶、pH和温度的影响，对于疾病早期诊断具有巨大的应用潜力。本篇综述总结了近年来基于DNA的电化学传感器用于miRNAs检测的研究进展。

电化学DNA传感器的工作原理

电化学DNA传感器用于miRNAs检测，主要是基于DNA识别探针和靶标miRNAs的结合引起的电信号变化对miRNAs进行定量。其中，DNA和miRNA识别主要分为三种模式：直接识别反应，竞争结合反应和夹心反应模式。直接识别反应和竞争结合反应是初级反应模式，即带有电化学信号分子的DNA识别探针直接与靶标miRNAs相互作用，区别在于竞争结合反应中的识别探针DNA在和目标miRNAs结合之前，已经结合了部分互补的DNA序列。在夹心反应模式中，DNA识别探针首先与部分靶标miRNA结合形成DNA-RNA复合物；然后，靶标miRNA的其余部分与信号探针DNA杂交形成类似于夹心结构的复合物（图一）

图一 DNA识别探针与目标miRNA杂交的三种反应模式示意图

信号放大原理

在miRNAs的检测过程中，主要问题在于miRNAs的序列相对较短，同源性很高，并且血液中含量低，因此，设计合理的信号放大策略对于miRNA的快速灵敏准确的检测尤为重要。目前，常用的信号放大方法包括：新型纳米材料通过增加电子传导能力实现信号放大，酶活性物质，杂交链式反应（HCR）和催化型发卡结构自组装反应（CHA）主要通过核酸扩增进行信号放大。 

新型纳米材料由于具有较大的比表面积，在作为基底或者介质用于构建电化学传感器方面具有独特的优势，极大地提高了miRNAs检测的灵敏度。目前，常用材料有金纳米颗粒、碳基纳米材料、金属有机框架等（表一）。

表一 基于纳米材料进行信号放大来构建miRNA的电化学传感器

采用酶信号放大策略时，常用的酶活性物质包括双链特异性核酸酶（DSN）、聚合酶等。DSN是一种特异性切割双链DNA和RNA中的DNA的酶，能够特异性切割DNA识别探针和靶标miRNA的结合物中的DNA探针，释放出电化学信号物质，通过 miRNA重复结合DNA，切割DNA释放电化学信号的循环过程进行特异性的信号放大。HCR是一个动力学控制反应，可作为放大信号转换器，无需任何外部输入，即可实现灵敏的miRNA检测。CHA是一种新的基于DNA结构的信号放大策略，无需酶的辅助，即可实现高效的miRNA特异性信号扩增。HCR和CHA都是将靶标miRNA的存在作为触发器，激活级联扩增过程。相比于纳米材料，这三种方法不仅可以实现信号扩增，同时也具有很高的特异性。关于不同信号放大原理的优势总结如下（表二）。

表二 不同的信号放大策略的比较

总的来说，电化学传感器由于其检测灵敏度高，成本低，不依赖于大型检测设备等优势，在用于构建便捷式的 miRNAs传感器以及用于疾病的早期检测方面具有独特的优势。并且现在更多的检测平台是基于多种信号放大策略的联用，在原理设计上同时改进了检测的特异性和灵敏度。但是与成熟的传统方法相比，电化学DNA平台仍处于中后期研究阶段。目前测量结果的稳定性和特异性仍然有待提高，特别是在复杂样品中，仍需要通过开发可重现和稳定的电极修饰方法和放大策略来改善。对于临床应用来说，能够同时检测多个miRNAs对于识别疾病相关特征具有重要意义，也是未来miRNAs传感器的主要发展方向。

Abstract

MicroRNAs (miRNAs), as the small, non-coding, evolutionary conserved, and post-transcriptional gene regulators of the genome, have been highly associated with various diseases such as cancers, viral infections, and cardiovascular diseases. Several techniques have been established to detect miRNAs, including northern blotting, real-time polymerase chain reaction (RT-PCR), and fluorescent microarray platform. However, it remains a significant challenge to develop sensitive, accurate, rapid, and cost-effective methods to detect miRNAs due to their short size, high similarity, and low abundance. The electrochemical biosensors exhibit tremendous potential in miRNA detection because they satisfy feature integration, portability, mass production, short response time, and minimal sample consumption. This article reviewed the working principles and signal amplification strategies of electrochemical DNA biosensors summarized the recent improvements. With the development of DNA nanotechnology, nanomaterials and biotechnology, electrochemical DNA biosensors of high sensitivity and specificity for microRNA detection will shortly be commercially accessible.

丁显廷

生物医学工程学院分子与纳米医学平台主任，个性化医学研究院常务副院长。求是基金会“求是杰出青年学者奖”获得者；国家“优青”基金获得者；上海市“曙光计划”获得者；上海市科协“飞翔计划”获得者；上海交通大学“凯原十佳”教师获得者；世界经济论坛（World Economic Forum, WEF）“青年科学家”；世界顶尖科学家论坛（World Laureates Forum, WLF）"青年科学家"；美国南加州中华科学家工程师协会“青年科学家”；上海市优秀党外青年双创人才；微纳系统与工程(Microsystems & Nanoengineering, MINE) Young Scientists Award；国际实验室自动化与筛查协会(Society for Laboratory Automatiom and Screening, SLAS) Tony B. Academic Award。

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