DNA逻辑电路驱动肿瘤细胞精准成像的研究进展

郭欣林; 胡孝林; 邱晓沛; 顾玮; 张洪

doi:null

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

DNA逻辑电路驱动肿瘤细胞精准成像的研究进展

XXXX | 更新时间：2026-01-22

- DNA逻辑电路驱动肿瘤细胞精准成像的研究进展
- Research progress on DNA logic circuit-driven precise imaging of tumor cells
- 重庆医科大学学报 2026年页码：1-10
- 作者机构：
  
  1.重庆市医学科学院/重庆市人民医院医学检验科，重庆 401147
  2.重庆大学医学院，重庆 400030
- 作者简介：
  
  郭欣林，Email：2497903554@qq.com，研究方向：DNA纳米颗粒用于肿瘤的检测研究。
  张　洪，Email：hongz@cqu.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金青年科学基金资助项目(82202633)
- DOI：
  中图分类号： R44
- 收稿：2025-07-10，
  
  修回：2025-09-17，
  
  录用：2025-10-27，
  
  纸质出版：2026-01-22
- 稿件说明：
移动端阅览
郭欣林，胡孝林，邱晓沛，等.DNA逻辑电路驱动肿瘤细胞精准成像的研究进展[J].重庆医科大学学报，

Guo Xinlin,Hu Xiaolin,Qiu Xiaopei,et al.Research progress on DNA logic circuit-driven precise imaging of tumor cells[J].Journal of Chongqing Medical University,
郭欣林，胡孝林，邱晓沛，等.DNA逻辑电路驱动肿瘤细胞精准成像的研究进展[J].重庆医科大学学报， DOI：10.13406/j.cnki.cyxb..

Guo Xinlin,Hu Xiaolin,Qiu Xiaopei,et al.Research progress on DNA logic circuit-driven precise imaging of tumor cells[J].Journal of Chongqing Medical University, DOI：10.13406/j.cnki.cyxb..

摘要

肿瘤细胞成像在肿瘤早期诊断、治疗监测及预后评估中具有关键价值。然而，传统成像技术灵敏度和特异性不足，难以在复杂的肿瘤微环境中分辨出低丰度的生物标志物。DNA逻辑电路凭借其可精准编程、分子识别特异性强及信号放大能力突出等优势，成为肿瘤细胞成像领域的研究热点，其能够通过构建复杂的分子逻辑网络实现对肿瘤标志物的智能响应，但其在体内成像中的稳定性、递送效率以及与临床检测兼容性等方面仍存在诸多待解决问题。本文综述了酶驱动和熵驱动DNA逻辑电路在肿瘤细胞成像中的构建原理、技术策略及应用进展，旨在系统梳理其发展现状，剖析现存瓶颈，为推动DNA逻辑电路在肿瘤细胞成像领域的临床转化提供理论参考。

Abstract

Tumor cell imaging has key value in early tumor diagnosis，treatment monitoring，and prognosis evaluation. Conventional cell imaging techniques lack sufficient sensitivity and specificity to identify low-abundance biomarkers in the complex tumor microenvironment. DNA logic circuits have become a research hotspot in tumor cell imaging due to their advantages of precise programming，strong specificity in molecular recognition，and outstanding signal amplification ability. They can realize intelligent responses to tumor marke

rs by constructing complex molecular logic networks. However，there are still many problems to be solved in terms of stability，delivery efficiency，and compatibility with clinical detection in

in vivo

imaging. This article reviews the construction principles，technical strategies，and application progress of enzyme-driven and entropy-driven DNA logic circuits in tumor cell imaging. It aims to systematically summarize the development of the technology，analyze the existing bottlenecks，and provide a theoretical reference for promoting the clinical transformation of DNA logic circuits in tumor cell imaging.

关键词

Keywords

references

Batool SM ， Yekula A ， Khanna P ， et al . The Liquid Biopsy Consortium：Challenges and opportunities for early cancer detection and monitoring [J ] . Cell Rep Med ， 2023 ， 4 （ 10 ）： 101198 .

Lin KN ， Volkel K ， Cao C ， et al . A primordial DNA store and compute engine [J ] . Nat Nanotechnol ， 2024 ， 19 （ 11 ）： 1654 - 1664 .

Patel MN ， Tiwari S ， Wang YF ， et al . Safer non-viral DNA delivery using lipid nanoparticles loaded with endogenous anti-inflammatory lipids [J ] . Nat Biotechnol ， 2025 . DOI: 10.1038/s41587-025-02556-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41587-025-02556-5 .

Kong DR ， Zhang S ， Ma XY ， et al . DNA logical computing on a transistor for cancer molecular diagnosis [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2024 ， 63 （ 41 ）： e202407039 .

Yue SZ ， Qiao ZJ ， Wang XF ， et al . Enzyme-free catalyzed self-assembly of three-dimensional hyperbranched DNA structures for in situ SERS imaging and molecular logic operations [J ] . Chem Eng J ， 2022 ， 446 ： 136838 .

Chen MQ ， Wang CH ， Ding ZX ， et al . A molecular logic gate for developing “AND” logic probes and the application in hepatopathy differentiation [J ] . ACS Cent Sci ， 2022 ， 8 （ 6 ）： 837 - 844 .

Haas LF . Charles Babbage（1792-1871） [J ] . J Neurol Neurosurg Psychiatry ， 1994 ， 57 （ 9 ）： 1025 .

Chen J ， Luo ZW ， Sun CJ ， et al . Research progress of DNA walker and its recent applications in biosensor [J ] . Trac Trends Anal Chem ， 2019 ， 120 ： 115626 .

Fan DQ ， Wang J ， Wang EK ， et al . Propelling DNA computing with materials' power： recent advancements in innovative DNA logic computing systems and smart bio-applications [J ] . Adv Sci ， 2020 ， 7 （ 24 ）： 2001766 .

Zhang C ， Zheng TT ， Ma Q ， et al . Logical analysis of multiple single-nucleotide-polymorphisms with programmable DNA molecular computation for clinical diagnostics [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2022 ， 61 （ 15 ）： e202117658 .

Adleman LM . Molecular computation of solutions to combinatorial problems [J ] . Science ， 1994 ， 266 （ 5187 ）： 1021 - 1024 .

Stojanovic MN ， Mitchell TE ， Stefanovic D . Deoxyribozyme-based logic gates [J ] . J Am Chem Soc ， 2002 ， 124 （ 14 ）： 3555 - 3561 .

沈心怡，刘俊兰，韩　达 . 核酸分子计算及应用 [J ] . 中国科学：化学， 2024 ， 54 （ 5 ）： 777 - 787 .

Shen XY ， Liu JL ， Han D . Nucleic acid-based computation and its applications [J ] . Sci Sin Chim ， 2024 ， 54 （ 5 ）： 777 - 787 .

Lopez R ， Wang RF ， Seelig G . A molecular multi-gene classifier for disease diagnostics [J ] . Nat Chem ， 2018 ， 10 （ 7 ）： 746 - 754 .

Zhang C ， Zhao YM ， Xu XM ， et al . Cancer diagnosis with DNA molecular computation [J ] . Nat Nanotechnol ， 2020 ， 15 （ 8 ）： 709 - 715 .

Liu LJ ， Liu PP ， Ga L ， et al . Advances in applications of molecular logic gates [J ] . ACS Omega ， 2021 ， 6 （ 45 ）： 30189 - 30204 .

Xie NL ， Li MQ ， Wang Y ， et al . Scaling up multi-bit DNA full adder circuits with minimal strand displacement reactions [J ] . J Am Chem Soc ， 2022 ， 144 （ 21 ）： 9479 - 9488 .

Fu RJ ， Hou JJ ， Wang ZX ， et al . DNA molecular computation using the CRISPR-mediated reaction and surface growth of gold nanoparticles [J ] . ACS Nano ， 2024 ， 18 （ 22 ）： 14754 - 14763 .

Hu MH ， Li XL ， Wu JN ， et al . DNAzyme-based dissipative DNA strand displacement for constructing temporal logic gates [J ] . ACS Nano ， 2024 ， 18 （ 3 ）： 2184 - 2194 .

Zhao YW ， Li X ， Zhou Y ， et al . Advancements in DNA computing： exploring DNA logic systems and their biomedical applications [J ] . J Mater Chem B ， 2024 ， 12 （ 40 ）： 10134 - 10148 .

Wang L ， Xu WL ， Zhang S ， et al . Sensing and guiding cell-state transitions by using genetically encoded endoribonuclease-mediated microRNA sensors [J ] . Nat Biomed Eng ， 2024 ， 8 （ 12 ）： 1730 - 1743 .

Pan LQ ， Wang ZY ， Li YF ， et al . Nicking enzyme-controlled toehold regulation for DNA logic circuits [J ] . Nanoscale ， 2017 ， 9 （ 46 ）： 18223 - 18228 .

Zhao YB ， Liu Y ， Zheng XD ， et al . Half adder and half subtractor logic gates based on nicking enzymes [J ] . Mol Syst Des Eng ， 2019 ， 4 （ 6 ）： 1103 - 1113 .

Zhao SE ， Liu Y ， Wang B ， et al . DNA logic circuits based on FokI enzyme regulation [J ] . New J Chem ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 1931 - 1941 .

Xiao MS ， Wang XW ， Yao QY ， et al . Boosting selective fusion of protocells with DNA logic circuits for in situ detection of exosomal microRNA [J ] . Chem ， 2024 ， 10 （ 12 ）： 3634 - 3643 .

Zhang C ， Wang ZY ， Liu Y ， et al . Nicking-assisted reactant recycle to implement entropy-driven DNA circuit [J ] . J Am Chem Soc ， 2019 ， 141 （ 43 ）： 17189 - 17197 .

Xiang Z ， Zheng JY ， Ma XP ， et al . FEN1-assisted DNA logic amplifier circuit for fast and compact DNA computing [J ] . Chem Commun ， 2024 ， 60 （ 34 ）： 4593 - 4596 .

Orbach R ， Mostinski L ， Wang FA ， et al . Nucleic acid driven DNA machineries synthesizing Mg 2+ -dependent DNAzymes： an interplay between DNA sensing and logic-gate operations [J ] . Chemistry ， 2012 ， 18 （ 46 ）： 14689 - 14694 .

Song TQ ， Eshra A ， Shah S ， et al . Fast and compact DNA logic circuits based on single-stranded gates using strand-displacing polymerase [J ] . Nat Nanotechnol ， 2019 ， 14 （ 11 ）： 1075 - 1081 .

Su HM ， Xu JL ， Wang Q ， et al . High-efficiency and integrable DNA arithmetic and logic system based on strand displacement synthesis [J ] . Nat Commun ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 5390 .

Zhao D ， Chang DR ， Zhang Q ， et al . Rapid and specific imaging of extracellular signaling molecule adenosine triphosphate with a self-phosphorylating DNAzyme [J ] . J Am Chem Soc ， 2021 ， 143 （ 37 ）： 15084 - 15090 .

Yang ZL ， Farrell A ， Pradhan S ， et al . On-site portable lithium detection in mining and recycling industries based on a DNAzyme fluorescent sensor [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2025 ， 64 （ 2 ）： e202413118 .

Stojanović MN ， Stefanović D . Deoxyribozyme-based half-adder [J ] . J Am Chem Soc ， 2003 ， 125 （ 22 ）： 6673 - 6676 .

Lederman H ， MacDonald J ， Stefanovic D ， et al . Deoxyribozyme-based three-input logic gates and construction of a molecular full adder [J ] . Biochemistry ， 2006 ， 45 （ 4 ）： 1194 - 1199 .

褚利康，何　磊，韩达 . DNA存储技术：挑战与未来 [J ] . 集成技术， 2024 ， 13 （ 3 ）： 116 - 127 .

Chu LK ， He L ， Han D . DNA storage technology： challenges and future [J ] . J Integr Technol ， 2024 ， 13 （ 3 ）： 116 - 127 .

Wu RF ， Zhang YP ， Teng JJ ， et al . Molecular circuit-controlled nanoparticle folders for programmable DNA information access [J ] . ACS Nano ， 2025 ， 19 （ 7 ）： 6918 - 6928 .

Yurke B ， Turberfield AJ ， Mills AP ， et al . A DNA-fuelled molecular machine made of DNA [J ] . Nature ， 2000 ， 406 （ 6796 ）： 605 - 608 .

Yurke B ， Mills AP . Using DNA to power nanostructures [J ] . Genet Program Evolvable Mach ， 2003 ， 4 （ 2 ）： 111 - 122 .

Zhang DY ， Winfree E . Control of DNA strand displacement kinetics using toehold exchange [J ] . J Am Chem Soc ， 2009 ， 131 （ 47 ）： 17303 - 17314 .

Seelig G ， Soloveichik D ， Zhang DY ， et al . Enzyme-free nucleic acid logic circuits [J ] . Science ， 2006 ， 314 （ 5805 ）： 1585 - 1588 .

Bai SL ， Xu BT ， Wu JL ， et al . Series or parallel toehold-mediated strand displacement and its application in circular RNA detection and logic gates [J ] . Biosens Bioelectron ， 2023 ， 241 ： 115677 .

Li YT ， Zhou P ， Wang ZX ， et al . Sea Anemone -like nanomachine based on DNA strand displacement composed of three Boolean logic gates： diversified input for intracellular multitarget detection [J ] . Anal Chem ， 2024 ， 96 （ 10 ）： 4120 - 4128 .

Liu JL ， Zhang Q . DNA logic circuit based on a toehold-independent strand displacement reaction network [J ] . Nano Lett ， 2025 ， 25 （ 9 ）： 3464 - 3470 .

Jacobson K ， Liu P ， Lagerholm BC . The lateral organization and mobility of plasma membrane components [J ] . Cell ， 2019 ， 177 （ 4 ）： 806 - 819 .

Zhou Y ， Tao L ， Qiu JH ， et al . Tumor biomarkers for diagnosis，prognosis and targeted therapy [J ] . Signal Transduct Target Ther ， 2024 ， 9 （ 1 ）： 132 .

Deboever N ， Jones CM ， Yamashita K ， et al . Advances in diagnosis and management of cancer of the esophagus [J ] . BMJ ， 2024 ， 385 ： e074962 .

Wu LL ， Wang YD ， Xu X ， et al . Aptamer-based detection of circulating targets for precision medicine [J ] . Chem Rev ， 2021 ， 121 （ 19 ）： 12035 - 12105 .

Chang X ， Zhang C ， Lv C ， et al . Construction of a multiple-aptamer-based DNA logic device on live cell membranes via associative toehold activation for accurate cancer cell identification [J ] . J Am Chem Soc ， 2019 ， 141 （ 32 ）： 12738 - 12743 .

Gao QQ ， Zhao YM ， Xu KL ， et al . Highly specific，single-step cancer cell isolation with multi-aptamer-mediated proximity ligation on live cell membranes [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2020 ， 59 （ 52 ）： 23564 - 23568 .

Dong C ， Fang XY ， Xiong JR ， et al . Simultaneous visualization of dual intercellular signal transductions via SERS imaging of membrane proteins dimerization on single cells [J ] . ACS Nano ， 2022 ， 16 （ 9 ）： 14055 - 14065 .

Yin Y ， Xie W ， Xiong MY ， et al . FINDER： a fluidly confined CRISPR-based DNA reporter on living cell membranes for rapid and sensitive cancer cell identification [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2023 ， 62 （ 44 ）： e202309837 .

Wang QS ， Hasegawa T ， Namkoong H ， et al . Statistically and functionally fine-mapped blood eQTLs and pQTLs from 1，405 humans reveal distinct regulation patterns and disease relevance [J ] . Nat Genet ， 2024 ， 56 （ 10 ）： 2054 - 2067 .

Ren JJ ， Zhang ZB ， Geng S ， et al . Molecular mechanisms of intracellular delivery of nanoparticles monitored by an enzyme-induced proximity labeling [J ] . Nanomicro Lett ， 2024 ， 16 （ 1 ）： 103 .

Beach MA ， Nayanathara U ， Gao YT ， et al . Polymeric nanoparticles for drug delivery [J ] . Chem Rev ， 2024 ， 124 （ 9 ）： 5505 - 5616 .

Liang L ， Li J ， Li Q ， et al . Single-particle tracking and modulation of cell entry pathways of a tetrahedral DNA nanostructure in live cells [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2014 ， 53 （ 30 ）： 7745 - 7750 .

Wang ZN ， Chen XH ， Qiu XP ， et al . High-fidelity sensitive tracing circulating tumor cell telomerase activity [J ] . Anal Chem ， 2024 ， 96 （ 14 ）： 5527 - 5536 .

Zhang H ， Hu XL ， Bao XD ， et al . Commercial strip-inspired one-pot CRISPR-based chip for multiplexed detection of respiratory viruses [J ] . Small Methods ， 2025 ， 9 （ 1 ）： e2400917 .

Huang DJ ， Cao T ， Huang ZM ， et al . Crosslinking catalytic hairpin assembly for high-contrast imaging of multiple mRNAs in living cells [J ] . Chem Commun ， 2019 ， 55 （ 27 ）： 3899 - 3902 .

Liu L ， Feng XY ， Zhao J ， et al . DNA logic circuit coupled with enzymatic amplification for signal-enhanced，AND-gated imaging of inflammation-associated mRNAs [J ] . Nano Today ， 2025 ， 62 ： 102700 .

Wang HH ， Peng P ， Wang QW ， et al . Environment-recognizing DNA-computation circuits for the intracellular transport of molecular payloads for mRNA imaging [J ] . Angew Chem Int Ed ， 2020 ， 59 （ 15 ）： 6099 - 6107 .

Quan K ， Li J ， Wang JL ， et al . Dual-microRNA-controlled double-amplified cascaded logic DNA circuits for accurate discrimination of cell subtypes [J ] . Chem Sci ， 2019 ， 10 （ 5 ）： 1442 - 1449 .

Chen QT ， Xia XY ， Liang ZG ， et al . Self-assembled DNA nanospheres driven by carbon dots for microRNAs imaging in tumor via logic circuit [J ] . Small ， 2024 ， 20 （ 25 ）： e2310728 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

肿瘤相关成纤维细胞源性外泌体调控肿瘤耐药机制的研究进展