脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)由于其碱基间互补配对的高准确性和高特异性、序列的可编程性等,已发展成为一类重要的生物功能材料。自20世纪80年代Seeman教授率先开展结构DNA纳米技术以来,DNA自组装技术迅猛发展。本文基于DNA自组装技术构建生物传感平台用于靶DNA、溶菌酶等生物标志物的检测、细胞外pH的成像分析以及细胞靶向诊疗的研究,并成功用于分子逻辑门的设计,对发展生物计算体系、药物靶向递送、疾病诊断与治疗、新型DNA纳米材料的构建等领域具有重要意义。本论文主要开展了以下三个方面的工作:一、基于核酸外切酶辅助杂交链式反应的均相化学发光信号放大技术检测DNA和溶菌酶本工作通过设计三种DNA茎环结构,由引发链引发杂交链式反应,并通过外切酶Exo III实现靶循环,自组装得到包含大量G-四联体结构的DNA纳米线。进一步,采用化学发光体系,将自组装形成的DNA纳米线作为信号放大器,构建了一种通用型均相化学发光生物传感平台,实现了靶DNA和溶菌酶的高灵敏、高特异性检测,检测限分别达5.7 fM和4.2 fM,且具有良好的选择性,能很好地区分单碱基错配DNA和干扰蛋白,并成功应用于血清样品中靶DNA和溶菌酶的分析。二、基于三螺旋-双螺旋分子开关驱动的DNA逻辑自组装用于乳腺癌细胞外pH的成像分析本工作基于pH诱导的三螺旋-双螺旋分子开关性质,通过改变pH值控制DNA的杂交反应,以实现DNA纳米结构的逻辑自组装。首先,设计pH依赖性上游底物,进而由其介导组装反应的发生并得到相应的输出信号。通过将pH和引发链/H0复合物作为输入信号,成功构建了两种分子逻辑门(即,弱酸性/中性/碱性pH下的与门-“AND”门和强酸性pH下的禁门-“INHIBIT”门)。此外,该体系成功应用于乳腺癌细胞外pH的成像分析。三、自组装核壳核酸纳米结构用于人间变性大细胞靶向诊疗的研究本工作采用层层组装技术成功构建了一种核壳核酸纳米结构。首先,将Y型核酸单体通过双硫键连接形成球形核酸内核,由于其具有较高的负电荷密度,可与带正电的阳离子聚合物LPEI结合,并进一步包覆DNA自组装外壳。其中,球形内核的Y型核酸单体含有小干扰RNA(siRNA)序列,可特异性沉默ALK耐药基因的表达;DNA外壳负载抗癌药物阿霉素,并在外部设计CD30适体序列以靶向识别人间变性大细胞。酸性条件下,DNA外壳形成三螺旋结构,释放药物的同时,暴露出包裹的siRNA,有望实现肿瘤化疗和基因治疗的协同靶向诊疗。