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基于DNA纳米结构精确的可编程性、生物稳定性以及结构的多样性,它们作为新型的生物材料已经被广泛应用于生命科学领域的研究中。值得一提的是,DNA纳米结构的动态组装不仅可以智能地调控大型纳米器件,还可以用于构建体内外环境响应的功能性DNA纳米平台,为实现原位的逻辑传感分析、生物小分子成像以及靶向性诊断和治疗奠定了基础。基于肿瘤微环境中富含的K+以及胞内G-四链体重要的遗传作用,G-四链体诱导的DNA纳米组装将为精准医疗的发展提供新型的功能性平台。然而,不稳定的双分子G-四链体更易形成高阶的G-wire结构。虽然双链的辅助性在一定程度上实现了对结构的纳米组装,但G-四链体在生物体系中的动态调控性依然受到限制。为了解决这一问题,在G-四链体的loop中嵌入稳定的mini-发夹环结构,设计了稳定的双分子结构;而当在loop中引入pH响应的三链时,设计的特异性双分子G-四链体可以同时响应H+和K+,并将其分别用于仿生DNAzyme的构建和肿瘤细胞凋亡的实时监测。另外,根据Ca2+对框架核酸（FNAs）胞吞的选择性促进作用,设计了可以响应肿瘤微环境的可变构纳米载体,并实现了对有效载荷的靶向性递送。因此,本论文围绕G-四链体结构内的设计以及DNA纳米结构的动态组装,为肿瘤靶向性载药系统的设计提供了潜在的工具。以下是本论文中主要包含的几个部分:（1）稳定的双分子G-四链体诱导的DNA纳米结构动态组装用于可重构仿生DNAzyme构建。稳定的四链结构具有良好的可逆性和可操纵性,它们为DNA纳米结构的动态组装和纳米器件的构建提供了有力的工具。然而,双分子G-四链体（bi-G4s）较差的稳定性会导致DNA纳米结构的非特异性聚集。为了克服这一问题,我们将稳定的mini-发夹环取代传统的loop结构,设计了一系列较稳定的双分子G-四链体。结构中的mini-发夹环会形成G:C:G:C的四分体结构,使双分子G-四链体折叠成头对头的拓扑结构,并显著提高了结构的热稳定性。此外,两个稳定的双分子G-四链体会调控DNA纳米三角形实现预期的纳米组装,并分别形成“蝴蝶结”状和“蝴蝶”状的二聚结构。作为一个理想的框架核酸（FNA）纳米平台,通过在体外模拟人类端粒酶的二聚激活的过程,我们进一步构建了一个可重构的仿生DNAzyme传感器件。因此,双分子G-四链体作为新型DNA拓扑结构,将为DNA纳米结构的可编程操纵提供潜在的工具。另外,结合G-四链体对胞内微环境中丰富的K+（～140 mM）的响应性,稳定的双分子G-四链体也将为实现内源性K+调控的DNA纳米结构动态组装奠定了基础。（2）细胞表面构建的邻近诱导型适配体逻辑传感器用于细胞凋亡的实时监测。在自然界中,细胞在交流过程中会向胞外分泌反映细胞增殖、分化和凋亡的信号分子,因此实时监测微环境中的信号分子可以直接了解细胞的生理状态和病理。由于ATP是早期凋亡细胞通过质膜通道pannexin 1（PANX1）释放到表面的信号分子,因此捕获内源分泌的ATP可以对细胞凋亡进行原位的实时监测。基于肿瘤细胞微环境中富含的H+和K+,我们尝试在胞膜上构建可以响应这两种环境因子的纳米传感平台。虽然G-四链体可以响应游离的K+,然而结构的特异性和对H+的响应性限制了其在肿瘤微环境中的应用。针对这一问题,双分子G-四链体的loop结构被替换为三链结构,从而实现了对H+和K+的同时响应,并具有较好的稳定性和可重构性。将新型的拓扑结构（tb-G4）和劈开的ATP适配体修饰在DNA纳米三角形上,我们构建了一个可以响应肿瘤微环境的ATP逻辑传感平台。通过捕获细胞凋亡分泌的ATP,该平台可以动态评估化疗药物对肿瘤的治疗效果,因此该逻辑传感平台可以在肿瘤细胞表面作为特异性激活的实时通信枢纽,并在免疫干预和肿瘤治疗中得到进一步应用。（3）钙离子对变构框架核酸胞吞的选择性促进作用应用于有效载荷的靶向递送。在癌症的精确治疗中,靶向给药系统具有广泛的应用前景,其目的是有效地消除癌细胞,并减少对正常细胞的潜在干扰。值得提及的是,肿瘤微环境中的信号分子可以直接反映细胞生理状态并揭示细胞病理,因此在细胞表面通常被用来启动功能纳米平台执行下游任务。鉴于细胞外高水平的K+是肿瘤细胞微环境的一个标志,同时K+响应的G-四链体在可编程DNA纳米组装中得到了合理的应用,因此我们设计了由G-四链体调控的可变构DNA纳米载体,并将其用于有效载荷的靶向递送。受Ca2+诱导DNA纳米结构生物矿化的启发,我们首先探究了 Ca2+在胞吞过程中对2D/3D FNAs的选择性促进作用,且结果证明3D框架核酸具有更高的胞吞效率。基于该发现,我们首先设计了一款G-四链体调控的2D FNA纳米载体。在肿瘤微环境中K+的作用下,该载体由2D到3D的变构会将荧光标记的DNA载体更有效地递送到肿瘤细胞中,并对胞内的mRNA实现选择性成像。鉴于多种核酸药物（如ASOs、siRNA和DNAzymes）可以作为载体被封装到FNA纳米载体中,该策略将被广泛应用于癌症治疗的药物靶向递送体系。在本论文中,将DNA纳米结构动态组装与G-四链体对肿瘤微环境的响应性相结合,我们首先改进了 G-四链体的特异性和稳定性,并构建了分别应用于仿生DNAzyme的生物传感,细胞凋亡逻辑分析以及微环境响应的靶向递送的智能DNA纳米器件。根据G-四链体与多种有机小分子的配位作用,功能性DNA纳米平台将推动靶向型核酸药物的开发,并为生物医学的发展提供新的助力。