近日，西南大学卓颖教授团队在Accounts of Materials Research上发表了题为“Spatially Confined DNA Nanodevices for Sensing and In Situ Imaging of Biomolecules”的述评文章。针对DNA纳米器件在复杂生物应用中面临的易降解、动力学缓慢等瓶颈，文章系统梳理了空间限域型DNA纳米器件的最新进展，并将其归纳为腔体限域、表面限域、拓扑结构限域和网络限域四种代表性形式。文章进一步阐明了限域策略在增强DNA器件结构稳定性与提升反应动力学方面的内在机制，并总结了其在复杂样本检测及原位成像中的应用现状。最后，文章前瞻性地讨论了该领域面临的挑战与机遇，为推动DNA纳米器件从实验室走向临床实际应用提供了重要设计策略。

关键词：空间限域；DNA纳米器件；生物传感；原位成像；复杂生物体系

空间限域策略通过精准重塑DNA探针的局部微环境，赋予DNA纳米器件更强的生物稳定性与更高效的反应效率，为在复杂生命系统中实现生物标志物的早期精准探测与动态原位成像开辟了新路径。

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文章内容简介

DNA纳米技术凭借碱基配对的可预测性与核酸结构的可编程性，可集成多种功能模块，为复杂生物样本中的生物标志物检测与原位成像提供了重要工具。然而，在血清、细胞裂解液及活细胞等复杂生物样本中，DNA纳米器件仍面临核酸酶降解、结构稳定性欠佳以及低丰度靶标导致的分子碰撞效率降低、界面反应动力学缓慢等问题，限制了其进一步走向实际生物分析应用。这一挑战推动了“限域型DNA纳米器件”作为新兴研究对象的发展。其核心策略在于，通过在DNA探针周围构建纳米尺度限域微环境，调控其空间分布、分子构象、靶标可及性与局部反应过程等，协同提升DNA纳米器件的结构稳定性与反应动力学。

本述评系统梳理了西南大学卓颖教授团队在空间限域DNA纳米器件构筑与应用领域的标志性成果。根据结构架构与功能特征，文章将空间限域DNA纳米器件归纳为腔体限域、表面限域、拓扑结构限域和网络限域四种代表性形式，并讨论了限域策略的作用机制：（1）通过物理屏蔽与结构约束减少外界干扰和核酸酶降解，增强DNA纳米器件的生物稳定性；（2）通过局部富集反应组分、降低构象自由度并提高有效碰撞概率，提升反应动力学。在此基础上，文章进一步总结了四类空间限域DNA纳米器件在血清、细胞裂解液及活细胞等复杂生物样本中的初步应用，涵盖生物标志物检测、疾病样本区分与原位细胞成像，体现了空间限域策略在复杂生物环境中的应用潜力。最后，文章讨论了该领域面临的挑战与潜在发展方向，以期为后续研究提供有益启示。

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AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们进入这一领域，最初关注的是一个非常现实的问题：DNA纳米器件在理想体系中往往表现优异，但一旦应用于真实生物样本，其性能常常会明显下降。生物样本中的核酸酶降解、非特异性干扰以及有限的分子碰撞效率，会影响实际检测的重现性、特异性和检测限。因此，我们逐渐将研究重点从“如何设计DNA纳米结构”转向“如何构建适合真实样本的局部微环境”。空间限域恰好提供了一条重要路径，它既能通过物理屏蔽和结构约束提高生物稳定性，也能通过局部富集和空间组织促进分子识别与信号传递。基于这一思路，我们持续探索不同机制的限域DNA纳米器件，希望让DNA纳米技术真正适应复杂生物体系，并服务于临床场景中的生物标志物检测与原位成像。

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AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们希望未来能够进一步提升空间限域DNA纳米器件在复杂生物样本中的长期稳定性与持续工作能力，使其不仅能够完成单次、短时检测，还能够适应动态变化的真实生物体系，实现更长时间尺度上的连续分子信息获取。这也意味着，需要进一步增强器件对复杂样本干扰和生物污染的耐受能力，并提高长期运行过程中的信号可靠性与结果一致性。未来，随着DNA纳米技术与合成生物学、人工智能、微电子和可穿戴技术进一步融合，我们期待空间限域DNA纳米器件能够在即时诊断、长期生物监测和精准医疗等场景中发挥更大的作用。

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AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

我们认为，未来一个非常值得期待的研究机会，是实现空间限域DNA纳米器件的“可预测设计”。目前，不同限域结构的构筑与性能优化仍较多依赖实验筛选，而限域尺度、探针构象、分子扩散与靶标结合效率之间的定量关系尚未完全建立。未来，借助人工智能与理论建模，我们有望进一步预测DNA结构和靶标结合行为，并“看清”限域空间内分子扩散、碰撞与反应的过程，从而建立从结构参数到分析性能的定量联系。如果能够实现从“构建后测试”到“按性能需求反向设计”的转变，空间限域DNA纳米器件的设计方式可能会发生根本性的变化。

作者团队简介

卓颖，西南大学化学化工学院院长、教授、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要研究方向为功能化核酸探针的构建及其在核酸分析与原位成像中的应用。相关成果以第一/通讯作者发表在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Sci. Adv.等高水平期刊，发表论文136篇，H-Index 67，全部论文总引用次数超过12,000次。

刘捷，现为西南大学化学化工学院博士后，2025年于华东师范大学获得博士学位，师从田阳教授。研究方向主要聚焦于DNA分子器件的构建与微纳传感分析。以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.; Cell. Chem. Biol.; Chem. Sci 等期刊发表多篇论文。

谭柳青，西南大学化学化工学院博士研究生。目前研究方向主要聚焦于基于DNA纳米技术的电化学发光生物传感分析。

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Spatially Confined DNA Nanodevices for Sensing and In Situ Imaging of Biomolecules

Jie Liu, Liuqing Tan, Xiuli Tao, Lu Yan, and Ying Zhuo*

原文链接：

https://pubs.acs.org/amrcda/article/doi/10.1021/accountsmr.6c00140/5343084

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