金属离子对许多生物过程至关重要，因为它们具有许多作用，包括稳定生物分子、调节分子相互作用以及催化化学和生物反应。异常低或高水平的金属离子会导致疾病，例如贫血和生长迟缓。以高时空分辨率检测体内金属离子对于了解金属离子在健康和疾病状态中的作用至关重要。
而DNAzyme作为一种新型、高效的探针被广泛应用研究当中。目前已经报道了很多种基于DNAzyme被激活控制的金属离子检测。尽管已经证明了使用紫外光和红外光对金属离子传感器激活的时空控制，但在组织和体内缺乏穿透深度限制了它们的应用。
为了克服这一限制，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校陆艺（Lu, Yi）、King C. Li等人在此报告了使用高强度聚焦超声 (HIFU) 远程提供按需、时空分辨的热能，以在体外和体内激活目标区域的 DNAzyme 传感器。
该传感器的设计包含了两个部分：第一部分是包含底物链、酶链和保护链的三链结构；第二部分是辅助链。正常温度或者低于体内温度37度时，第一部分的三链结构是稳定存在的。只有当使用HIFU对探针进行作用使温度达到43度时，保护链与酶链解杂交，与此同时酶链和底物链形成更加稳定的激活态的DNAzyme探针。30分钟以后，撤去HIFU，温度降低至37度，此时释放出的保护链会与第二部分的辅助链杂交形成双链，由于之后温度不会再上升，因此该双链会稳定存在。为了监测该传感器工作的每个步骤。我们使用了双荧光基团Cy3和Cy5。失活状态下的DNAzyme的荧光基团被猝灭，所以在514 nm的波长激发下没有明显的荧光信号。当HIFU作用时，激活态的DNAzyme探针则可以产生荧光共振能量转移（FRET），产生Cy5荧光信号。而金属离子Zn2+存在时，底物链被切断并由于熔融温度的改变，含有猝灭基团的短链会被释放出来。此时使用相同的514 nm波长的激发会产生明显的Cy3荧光信号。
通过这种设计，随后作者在细胞层面通过MTT证明了HIFU与DNA酶在短时间处理下不会影响细胞活性。随后的细胞实验证明了DNA酶可以检测活细胞中的Zn2+，最后作者在小鼠层面也证明了其设计的DNA酶体系可以时空可控的检测小鼠体内游离Zn2+的变化。总之作者开发了一种利用超声控制的可以在活体内对金属离子进行时空可控成像的体系，为金属特异性DNAzyme应用于体内成像和医学诊断提供了新思路。
这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.文章第一作者是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士后王晓静、Gun Kim和James L. Chu。
Noninvasive and Spatiotemporal Control of DNAzyme-Based Imaging of Metal Ions In Vivo Using High-Intensity Focused Ultrasound
Xiaojing Wang, Gun Kim, James L. Chu, Tingjie Song, Zhenglin Yang, Weijie Guo, Xiangli Shao, Michael L. Oelze, King C. Li*, and Yi Lu*
J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.1c11543
https://www.x-mol.com/university/faculty/188
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