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世界卫生组织癌症专家表示,2020年全球约有1920万癌症患者和1000万癌症死亡病人,但1/3的癌症是可以通过早期发现而根治的。因此,尽早发现癌症并及时治疗是提高癌症存活率的关键。近些年,不断发现的肿瘤标志物为癌症早期发现提供了可靠的依据。然而,细胞内的肿瘤标志物在种类和表达水平上都存在差异,需要在细胞内建立多样化、高灵敏的分析检测平台对不同种类、不同表达水平的肿瘤标志物进行分析,期望尽早发现癌症。此外,在众多的癌症治疗中,由于毒副作用小、无耐药性等优点的基因治疗已经受到了广大研究者的青睐。基于此,我们利用MOF纳米材料、聚合酶放大反应、DNA逻辑运算、DNA折纸在癌症标志物的灵敏检测和癌症有效治疗中的优势,将MOF纳米材料与聚合酶放大反应、DNA逻辑运算与DNA折纸相结合设计了一系列新的反应和递送平台用于癌症标志物的检测及其在检测的同时根据标志物的响应精确释放基因治疗药物,实现诊断和基因治疗一体化。内容如下:聚合酶放大反应能够实现肿瘤标志物的高灵敏检测。由于聚合酶不能自由地进入细胞,这类放大反应难以在活细胞中对肿瘤标志物进行检测分析。为了解决这个难题,在第2章中,我们构建了一个仿生矿化的ZIF-8 NPs纳米平台向活细胞内同时递送φ29 DNA聚合酶和DNA探针。细胞快速摄取后,φ29 DNA聚合酶和DNA探针从酸性的溶酶体中有效地释放并逃逸到细胞质中,同时保持φ29 DNA聚合酶的天然活性。在φ29 DNA聚合酶和环状DNA存在下,细胞内的mi RNA-21开起滚环扩增放大反应（RCA）并生成包含镁离子DNA模拟酶(Mg2+-dependent DNAzyme)重复单元的DNA单链,在镁离子的帮助下循环地剪切荧光底物探针产生放大的荧光信号实现了活细胞内mi RNA-21的成像和检测。受上一个工作的启发,第3章我们建立了一个基于引物交换反应（PER）的DNA机器,用于m RNA成像和基因治疗。通过ZIF-8 NPs向细胞内同时递送大片段DNA聚合酶（Klenow（exo-）fragment polymerase,KFP）和DNA探针（发夹探针、分子信标和引物探针）,细胞内survivin m RNA的触发PER-DNA机器产生大量的Bcl-2反义DNA单链,与分子信标结合产生放大的荧光信号用于细胞内survivin m RNA的检测,与Bcl-2 m RNA结合用于癌细胞的基因治疗。实验结果表明,ZIF-8 NPs不仅能保护KFP和DNA探针免受蛋白酶和核酸酶的降解还能促使其有效地释放并逃逸到细胞质中。成像实验和细胞凋亡实验都证明了PER-DNA机器能够敏感地检测细胞内survivin m RNA的表达水平,并选择性地杀死癌细胞而对正常细胞没有影响。PER-DNA机器为肿瘤的早期诊断和更精确有效的治疗提供了一个潜在有力的平台。在分子水平上,大量的关于动态DNA分子电路的研究工作被用于疾病诊断和生物医学。然而,在复杂的细胞环境中,如何设计可编程的分子电路器件来自主、准确地诊断多个低丰度的生物分子仍然是一个挑战。在第4章我们构建了一个DNAzyme逻辑电路用于活细胞内多个Micro RNA的分析和成像,利用Cu/ZIF-8NPs作为逻辑门元件的载体和Cu-DNAzymes的Cu2+供体。基于静电吸附的作用将逻辑运算系统的逻辑门元件固载到Cu/ZIF-8 NPs的表面。复合颗粒进入到细胞内,Cu/ZIF-8 NPs在酸性的溶酶体中降解,释放出逻辑门元件和Cu2+,我们实现了在不同的细胞中多种内源性mi RNA触发的生物逻辑计算包括1输入的YES门和2输入的与门和或门。Cu2+-DNAzymes逻辑电路不仅能在复杂的细胞环境中进行运算并能快速地识别不同细胞中多个内源mi RNA,也为DNA生物运算电路在活细胞的应用提供了新的研究思路。由于DNA具有自主装和特异性识别的性能,DNA逻辑电路得到了研究者们的青睐和兴趣。然而,一些逻辑电路在设计上缺乏空间限制,几乎完全依赖于逻辑元件之间的扩散促进传感元件之间相互作用。为解决这个问题,在第5章我们将所有的逻辑元件集成在一个DNA折纸纳米结构上,形成一系列mi RNAs响应的DNA折纸基因逻辑芯片（DNA origami gene logic chip,DOGLC）。本研究设计了四种布尔逻辑运算以mi RNAs为输入,红色荧光蛋白（RFP）为输出的DNA折纸逻辑芯片（YES,AND,OR,AND-AND）和一个半加算器数学运算以mi RNAs为输入,红色荧光蛋白（RFP）和绿色荧光蛋白（GFP）为输出的DNA折纸逻辑芯片在OFF和ON系统中观察到RFP或GFP明显的抑制和激活用于哺乳细胞内多个mi RNAs的响应并鉴别正常细胞和癌细胞。此外,我们还将其中的3输入AND-AND设计成一种凋亡逻辑芯片用于输出治疗蛋白Bax蛋白,用于选择性地控制正常细胞和癌细胞的凋亡。因此,我们合成的具有逻辑运算的DOGLC可以为未来的治疗应用提供有力的工具。