Nature Nanotechnology：DNA折纸

小奇

2026-01-28

DNA折纸术利用DNA碱基配对，以高空间精度组装纳米结构，推动新型治疗与诊断应用的发展。这类结构已在小鼠模型中测试，用于递送抗肿瘤、抗神经炎症、抗病毒及抗自身免疫病等药物。其核心优势在于能精确定位生物分子，从而促进药物递送与疫苗设计。

然而，其功能依赖于结构的完整性。核酸酶降解或低阳离子环境下的钉链解离可能导致结构破坏，降低疗效并增加副作用。尽管已有聚合物/蛋白包覆、紫外线交联、沟槽结合剂及酶连接等稳定策略，但尚无可靠方法在体内评估结构完整性，这阻碍了药代动力学研究与标准监管。而现有追踪方法（如红外染料标记）可能在结构解体后仍显示荧光，从而高估存留时间；支架靶向检测（如qPCR或origamiFISH）灵敏度虽高，却无法区分完整结构与降解片段。因此，体内完整DNA折纸结构的定量检测仍是未解难题。

来自瑞典的卡洛琳斯卡学院医学、生物化学与生物物理学系的Björn Högberg等人开发了“结构追踪与完整性定量邻近连接检测法”（PLASTIQ）。这是一种无标记检测DNA折纸在体内完整性的方法。PLASTIQ利用可连接钉链对（由支架桥接的两段相邻钉链）间的邻近连接反应，来报告局部螺旋结构是否保持完整。分布式的钉链对提供单螺旋分辨率，其连接产物可通过测序或qPCR扩增，从而仅需1微升血液即可实现准确定量。该方法支持同一动物的纵向监测，能揭示折纸结构的药代动力学，并指导下一代纳米疗法的设计。

Figure 1使用1微升血液通过PLASTIQ工作流程评估DNA折纸完整性的示意图。

PLASTIQ方法验证与适用性评估

为验证PLASTIQ方法，研究者们设计了两种杆状DNA折纸结构：线框结构Wrod与晶格结构Lrod。每种结构均包含9个（Wrod）或8个（Lrod）具有独特序列、长度和位置的可连接钉链对，并设置单钉链对作为对照。实验通过连接反应、PCR扩增及凝胶电泳进行分析。

结果显示，两种结构仅在连接反应后出现与单钉链对尺寸匹配的扩增条带。若提前热变性破坏结构，则无条带产生，证明邻近连接依赖完整结构。对比实验表明，传统支架靶向检测方法无法区分完整与降解结构。

进一步测试显示，经聚合物包覆或紫外交联稳定处理的折纸结构，其PLASTIQ检测效能与原始结构相当。以上实验证实PLASTIQ能可靠检测不同设计及稳定化修饰的DNA折纸在单螺旋水平的完整性。

Figure 2利用PLASTIQ在体外验证DNA折纸完整性评估的概念。

PLASTIQ技术实现DNA折纸体内完整性精准追踪

为评估蛋白冠对检测的影响，他们将DNA折纸结构与血清共孵育，发现PLASTIQ连接效率未受显著影响。随后开展小鼠体内实验，通过静脉或腹腔注射含标记位点的折纸结构，并采集微量血液进行PLASTIQ分析。

结果显示：静脉注射后，完整折纸信号在5分钟内出现但迅速衰减，聚乙二醇修饰可轻微延长半衰期；腹腔注射则能使信号持续达1小时，呈现典型的吸收动力学特征。与传统荧光标记法对比发现，染料信号在折纸解体后仍持续存在，无法准确反映结构完整性，而PLASTIQ则能精准识别完整结构。测序分析进一步验证了该方法的可靠性，并发现折纸特定区域具有更高稳定性。

Figure 3使用PLASTIQ在体内追踪DNA折纸的完整性。

PLASTIQ动态监测DNA折纸体内降解

为进一步量化DNA折纸在体内的完整性，研究者们在PLASTIQ流程中引入针对各可连接钉链对的qPCR分析。通过扩增各钉链对并利用独立标准曲线计算浓度，该方法能动态解析不同结构区域的降解速率差异。结果显示，所有钉链对的浓度变化均遵循相同的整体趋势，但局部存在差异，反映了区域降解速率的异质性。

静脉注射后，折纸结构直接进入循环，信号迅速达峰后衰减。聚乙二醇修饰的折纸早期信号较低，提示其系统清除更快。而腹腔注射后，聚乙二醇修饰的折纸因具有更好的腹膜吸收效率，早期血药浓度更高，但后期因系统清除加速而下降更快。该研究证实PLASTIQ能灵敏反映不同给药途径下DNA折纸结构的完整性动态变化。

Figure 4通过PLASTIQ结合qPCR对DNA折纸在体内完整性进行定量分析。

药代动力学模型揭示DNA折纸体内动态

为解析DNA折纸体内浓度变化，该研究建立了药代动力学模型：静脉注射采用单指数衰减模型，腹腔注射采用腹膜腔-血液双室模型。双室模型旨在刻画DNA从腹膜腔吸收入血及随后从血液清除的动态过程。

通过拟合各钉链对的实测数据，模型成功捕获了静脉注射的衰减曲线与腹腔注射的峰形曲线，并获得了吸收速率、消除速率及初始浓度等参数。双室模型反推了腹腔注射时腹膜腔内的不可观测浓度，揭示出血药浓度先升后降的双相特征。

参数分析显示，各钉链对的动力学参数存在分布差异，但聚乙二醇修饰与未修饰结构间的群体参数无显著区别，提示局部降解速率可能受钉链特性影响，而整体药代行为主要受给药途径主导。

Figure 5 DNA折纸在体内的药代动力学模型。

PLASTIQ技术揭示DNA折纸内部降解异质性

实验发现Wrod中不同钉链对的信号存在差异，提示同一折纸粒子内部可能存在完整性损失的区域异质性。为验证这一假设，研究者们设计了一种具有明确内外表面分区的双层桶状线框结构Wbarrel。

在体外实验中，所有预设钉链对的连接反应均成功。通过腹腔注射对小鼠进行体内实验，并利用PLASTIQ结合qPCR分析发现：注射30分钟后，折纸顶部、底部及外表面的钉链对信号显著低于内表面。这表明内表面因更少接触血液中的核酸酶而保持更高稳定性。该结果证实PLASTIQ能以高分辨率解析单个DNA折纸结构内部的完整性损失动力学。

Figure 6通过PLASTIQ揭示双层桶状DNA折纸在体内的完整性损失模式。

总结

本研究建立的PLASTIQ是一种无标记方法，能以单螺旋分辨率在体内评估DNA折纸的结构完整性。该方法基于相邻钉链间的邻近连接反应，此反应仅在支架将其紧密维持时发生，从而可通过qPCR或测序定量完整区域。仅需1微升血液即可实现检测下限0.01 fM，支持同一动物的纵向追踪，减少实验变异。

对聚合物包覆或紫外交联的稳定化折纸结构，PLASTIQ仍保持稳健性能。相比基于荧光的半定量方法，PLASTIQ能直接准确定量体内完整纳米结构。未来通过整合细胞分离技术，该方法有望进一步分析内化结构的药代动力学。PLASTIQ为在生理环境中理解DNA折纸行为、指导新一代DNA纳米药物的理性设计与优化提供了灵敏而通用的研究框架。

参考文献

Wang, Y., Rocamonde-Lago, I., Waldvogel, J. et al. Resolving DNA origami structural integrity and pharmacokinetics in vivo. Nat. Nanotechnol. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41565-025-02091-z