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小分子核糖核酸(miRNA)是一种进化保守的家庭内生19-22元长非编码RNA,参与转录后的调控以及参与细胞的分化、增殖、凋亡、代谢,在多种生理和病理过程的作用是实现重大疾病的精准早期诊断和预后基因治疗。本论文工作采用表面增强拉曼检测技术(Surface-enhanced Raman scattering,SERS),以微流控芯片为集成平台将DNA无酶信号放大方法引入DNA逻辑门中,构建了新型功能化DNA无酶信号放大逻辑系统,实现了一系列逻辑运算,并将逻辑运算应用于miRNA的检测中,实现了高灵敏高选择性的miRNA检测在此基础上,进一步将靶引发级联反应DNA机器引入逻辑门运算中,设计了新型的级联反应DNA纳米机器逻辑门平台,结合SERS和荧光技术,对肿瘤细胞中的miRNA进行双模式信号成像分析并实现沉默基因的输出和治疗。本论文包括以下两个部分:(1)采用SERS技术和DNA无酶信号放大技术,以微流控芯片为集成平台,本论文构建了一种新型功能化DNA无酶信号放大逻辑系统。在逻辑门转换单元中构建了一种以折扇型结构为主体的置换反应区,首次引入了无酶链替代循环反应,提高反应信号响应。在此基础上,首次将微流控技术与生物逻辑门相结合,利用其快速富集的功能克服了DNA杂交慢的问题,进一步提高了反应效率。我们设计了AND,XOR,OR三种逻辑门,实现了不同逻辑门的信号响应。实现了一种系列通用的以扇形结构为主体的逻辑运算,并同时实现体外的精确定量检测,该方法的成功证明了DNA无酶信号放大的生物逻辑体系在肿瘤相关特征分子痕量检测方面的潜力。(2)在DNA功能化逻辑运算的基础上,我们构建了一种基于miRNA驱动级联反应的DNA纳米机器(DNM)逻辑系统,在活细胞中实现miRNA引发的自组装反应并释放SiRNA。通过将两对DNA/RNA杂交(DR和D’R’)与金纳米颗粒支架和摆动臂发卡一起来构建DNM逻辑系统。用miR-21和miR-155双输入作为逻辑输入触发DNM中的DNA级联链置换反应,输出SiRNA,释放SERS信号。释放的SiRNA可以抑制细胞中mRNA和蛋白质表达,使体内促使肿瘤生长的高效基因沉默。本工作实现了miRNA的实时监控和检测,并输送了沉默基因用于肿瘤诊疗,构建了活细胞内的级联反应DNA纳米机器逻辑门平台,为疾病早期诊断和治疗提供了新的思路和途径。