生物传感平台的开发在研究环境中生物标志物的识别和临床诊断的应用中发挥着关键作用。目前,存在多种形式的基于核酸的生物传感器,从简单的DNA双链结构到可以响应刺激的多维核酸纳米结构。因核酸纳米结构具有可编程性、空间可组织性以及生物相容性等性质,现已被广泛应用于生物医学研究中,如生物传感与成像、疾病诊断和治疗。然而,如何实现细胞内生物分子标志物的灵敏监测依然有待探究。基于此,本论文将利用DNA纳米框架结构的优势,通过三维（3D）DNA四面体催化杂交自组装（CHA）实现细胞内目标分子的灵敏检测和成像。同时,本文也将重点研究DNAzyme纳米镊子（DNAzyme tweezer）用于细胞内生物标志物的成像和基因沉默治疗,实现诊疗一体化。纳米材料因具有显著的化学、物理性质,现已被广泛地应用于癌症相关标志物的检测和肿瘤等疾病的诊断中。运用纳米材料运载DNA功能探针进入细胞的纳米平台,可以监测活细胞中与肿瘤的发生紧密关联的生物标志物,实现对疾病的早期诊疗和预后检测,提高疾病的治愈率。在现有的治疗手段中,基因治疗因其良好的生物相容性及无耐药性等优势逐渐受到人们的重视。基于此,我们也将杂交链式反应（HCR）与二氧化锰纳米片、CHA和金属-有机框架材料（ZIF-8）相结合,应用于细胞内肿瘤标志物的灵敏检测以及基因的沉默治疗。具体研究内容如下:基于3D DNA框架结构良好的生物相容性、强的结构稳定性、高度可编程性和高效的细胞传递能力,在第2章中开发了一种新颖的3D DNA四面体放大器（DTA）,利用目标物激活DNA四面体中的空间约束的催化发夹自组装（CHA）反应,实现了活细胞中Mn SOD m RNA快速高效的放大成像。首先,四条DNA链组装形成DNA四面体,然后在DNA四面体的特定位置分别组装两个亚稳态的DNA发夹H1（Cy5）和H2（Cy3）。在Mn SOD m RNA存在的情况下,Mn SOD m RNA可以触发DTA上CHA反应,并形成H1-H2双链纳米结构,获得显著的荧光共振能量转移（FRET）信号。同时,反应中释放的Mn SOD m RNA可以触发下一个CHA反应。由于DNA四面体空间约束效应,DTA可以实现对活细胞中目标物Mn SOD m RNA的快速、高效放大检测。此外,DTA具有良好的结构稳定性和非细胞毒性。该方法为生物体内生物标志物的超灵敏检测提供了一种通用的平台,使DNA纳米结构在生物医学领域得到了更深入的发展。脱氧核酶（DNAzyme）被认为是一种很有前景的基因治疗药物。然而,DNAzyme较差的细胞摄取效果和较低的生物稳定性,限制了其在基因沉默治疗中的应用。基于这个难题,在第3章中,设计了一种可递送DNAzyme的可编程的DNAzyme tweezers（DZNT）,用于检测TK1 m RNA和靶向沉默survivin m RNA。在DZNT臂的末端有两个功能化的单链DNA,每个单链DNA由两个部分组成:与TK1 m RNA互补的片段和劈开的DNAzyme片段。细胞内的TK1 m RNA与单链DNA杂交,实现了生物分子TK1 m RNA的高特异性成像。同时,上述杂交过程将劈开的DNAzyme拉近,进而激活DNAzyme,实现survivin m RNA的敲除,达到基因沉默治疗的效果。结果表明,所制备的DZNT纳米载体具有良好的细胞穿透性、生物相容性和无细胞毒性。此外,劈开的DNAzyme可以有效地借助癌细胞中TK1 m RNA对survivin m RNA进行敲除,从而可选择性地杀伤癌细胞,但对正常细胞并无损伤。综上所述,多功能可编程的DZNT为疾病的早期诊疗提供了一个有前景的平台。第3章中提到DNAzyme是一种具有优异催化性能的DNA分子,然而其在细胞内生物稳定性差,辅因子不足等问题,也限制了其在生物学中的应用。针对这一问题,在第4章中,将功能化的DNA探针（H1/H2）吸附在Mn O2上,构建了基于杂交链式反应（HCR）的Mn O2@H1/H2纳米平台,实现了细胞内mi RNA-21的扩增成像和自给自足的基因沉默治疗。谷胱甘肽（GSH）存在时,将Mn O2还原为Mn2+,同时释放H1/H2探针。mi RNA-21诱导H1/H2发生HCR反应,实现了mi RNA-21的放大成像,并产生串联激活的DNAzyme。激活的DNAzyme在辅因子Mn2+的作用下,实现survivin m RNA的基因沉默。结果证明,Mn O2@H1/H2纳米平台不仅可以实现mi RNA-21的高对比度放大成像,而且可以选择性杀伤癌细胞。Mn O2作为H1/H2的递送载体,不仅抑制了核酸酶对H1/H2的降解,还能为DNAzyme提供足够的辅助因子(Mn2+)。此外,通过对H1/H2的功能域进行编程,可以同时实现对多种生物分子的成像和基因的协同治疗。总之,多功能的Mn O2@H1/H2纳米平台有望进一步推动多种肿瘤相关标志物的检测,提高早期诊断的精准性,也为基因沉默协同治疗提供了研究基础。反义寡核苷酸（antisense oligonucleotides,ASOs）引导的有效基因沉默为癌症的治疗提供了一个新的手段。在第5章中,通过一步合成法制备了一个基于诊断和治疗相结合的ZIF-8@H1/H2纳米平台,用于细胞内肿瘤生物分子的放大成像和基因治疗。为了提高其生物相容性和同源靶向性,在ZIF-8@H1/H2的表面包裹上癌细胞膜,形成CM/ZIF-8@H1/H2（CMZ@H1/H2）纳米平台。依据ZIF-8在酸性环境下可降解的性质,CMZ@H1/H2在细胞内裂解并释放出H1/H2。在内源性Mn SOD m RNA的刺激下,H1/H2发生催化发夹组装（CHA）反应,实现Mn SOD m RNA灵敏的放大成像。同时,封闭的survivin反义DNA被激活,并与survivin m RNA编码域杂交,在内源性RNase H的作用下,实现survivin m RNA基因的敲除。作为生物传感器和H1/H2的递送载体,CMZ@H1/H2在细胞内具有免疫原性低、递送效率高和生物相容性好等优点。可以预期,这种多功能的CMZ@H1/H2平台在肿瘤的诊断和治疗中具有巨大的潜力。