综述：气体疗法在对抗抗菌素耐药性中的作用：作用机制、协同策略及临床应用面临的挑战

中国生物医学工程学报的论文摘要：本研究设计了一系列短链PNA aptamers，通过SPR和MD模拟验证其高稳定性和皮摩尔级结合 affinity，克服DNA aptamers的核酸酶降解问题，为便携式心脏生物标志物检测提供新方案。

　　
该研究聚焦于肽核酸（PNA）aptamer在心脏肌钙蛋白I（cTnI）检测中的应用，通过系统性的分子设计、功能验证及稳定性测试，揭示了PNA作为新型生物传感器材料的潜力。研究团队以PNA-40为原型，设计了系列不同长度的PNA aptamer，并采用表面等离子体共振（SPR）技术结合分子动力学（MD）模拟，系统评估了其与cTnI的结合特性及抗核酸酶稳定性，为便携式心血管疾病诊断设备开发提供了新思路。

### 关键发现与机制解析
1. **PNA aptamer的构效关系**
通过MD模拟发现，DNA和PNA aptamer均形成稳定的茎环结构，但PNA因缺乏磷酸二酯键的负电荷排斥，整体更紧凑且柔性更高。PNA-40的茎环结构稳定，其结合cTnI的亲和力（Kd=1.3 pM）与DNA-40相当，但更短序列（如PNA-20）仍能保持1.7 pM的亲和力。这表明关键结合区域可能位于3'端约20个核苷酸的区域（CTTT–CTCA–TGCG–CTGC–CCCT–CTTA），而非依赖完整的茎环结构。

2. **序列保守性与功能模块化**
研究显示，PNA-20（20mer）通过保守序列中的特定碱基组合实现高效结合，其Kd值（8.4 pM）仅为PNA-40的1/7，但检测灵敏度（LOD=40 pg/mL）仍优于传统DNA aptamer。序列分析表明，PNA-20的核心区域包含多个氢键和疏水相互作用位点，例如C18-TGCG、C24-CTGC等基序，这些结构特征可能直接参与cTnI的识别。

3. **抗核酸酶降解能力**
在模拟生理条件（含DNase I浓度达20 ng/mL）下，DNA aptamer的信号强度下降超过90%，而PNA-40的信号保留率超过95%，且Kd值仅轻微上升（1.7→2.9 pM）。这种稳定性源于PNA的聚酰胺骨架对核酸酶的化学惰性，尤其是DNase I对磷酸二酯键的特异性切割机制在PNA中无法发挥作用。

4. **表面偶联策略的普适性**
通过对比N3-PNA（点击化学偶联）和py-PNA（π-π堆积偶联）两种表面修饰方式，证实PNA aptamer在不同固定化方法下均能保持pM级亲和力（py-PNA-40 Kd=1.5 pM）。这种兼容性使PNA传感器适配多种检测平台，包括石墨烯场效应晶体管（gFET）等便携式设备。

### 技术创新与临床意义
- **长度优化与成本控制**
研究表明，PNA aptamer的长度可从40mer精简至20mer（长度减半，Kd仅增加约3倍），同时保持高选择性（对cTnT、BNP-32无显著响应）。这种结构紧凑性显著降低了合成成本，缩短了从实验室到临床的转化周期。

- **动态结合特性**
SPR动力学分析显示，PNA-40与cTnI的结合具有较快的解离速率（k-off≈2.3×10^6 s?1），但结合常数（Kd）仍处于检测需求临界值（pg/mL级）。这种动态平衡特性使其在血液等复杂基质中仍能保持稳定响应。

- **环境适应性验证**
在模拟急诊场景（高DNase I浓度、非缓冲血浆环境）下，PNA aptamers表现出更优的稳定性。结合前期gFET研究，该成果为开发可置于急救包中的即时检测设备奠定了基础，特别适用于急性心肌梗死（AMI）等时间敏感的疾病的早期诊断。

### 技术挑战与未来方向
尽管PNA展现出显著优势，仍需解决以下问题：
1. **构象柔性与特异性平衡**
MD模拟显示PNA的柔性可能导致构象熵变化影响结合特异性，需通过理性设计（如引入LNA或DNA-PNA杂合结构）优化空间位阻。

2. **表面非特异性吸附**
尽管当前实验中背景信号较低，但需进一步研究血液中其他蛋白（如纤维蛋白原）对PNA传感器的干扰机制。

3. **长期稳定性评估**
现有实验仅验证了2小时核酸酶暴露下的稳定性，需扩展至多日储存及多次检测场景测试。

### 结论
本研究首次系统论证了PNA aptamer在cTnI检测中的多维度优势：通过20mer核心序列实现成本效益平衡，通过聚酰胺骨架获得核酸酶抗性，并通过表面功能化技术兼容多种传感平台。这些特性使其在心血管急症快速筛查、可穿戴设备开发及战地医疗检测等场景中具有广阔应用前景。后续工作建议聚焦于临床样本中实际稳定性测试及多靶点 aptamer文库开发，以进一步提升设备在实际应用中的可靠性。