第一作者：章智柔、刘艳飞

通讯作者：刘珍宝教授

通讯单位：中南大学湘雅药学院、中南大学分子影像研究中心

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202512348

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细胞是生命的基本单位，在生物体生长、发育和功能维持中发挥着核心作用。细胞间相互作用是高度动态且复杂的，贯穿免疫应答、肿瘤发生、组织稳态与发育等关键生物过程。然而，传统研究手段在时空分辨率、动态调控能力以及功能扩展性方面仍存在明显局限。近年来，功能核酸（Functional Nucleic Acids, FNAs）因其可编程性、结构多样性等独特优势，逐渐成为研究和重构细胞间相互作用的重要分子工具。本综述系统总结了功能核酸在细胞间相互作用中的核心调控策略与代表性应用。从核酸的作用机制出发，将相关研究归纳为四大策略：DNA杂交介导的细胞连接、分子识别驱动的靶向调控、DNA纳米结构构建的分子支架，以及对光、pH、金属离子和ATP等环境刺激的动态响应。在此基础上，文章重点评述了这些策略在肿瘤免疫治疗、细胞间通讯、细胞间力学监测以及体外三维组织构建中的最新进展。通过系统性的机制梳理与应用整合，最后提出了当前存在的挑战与未来发展方向，旨在为推动功能核酸在细胞间相互作用研究中的应用提供新的思路，促进精准医疗的发展。

背景介绍

细胞间相互作用，是一个在时空尺度上包含物理接触、分子识别、信号传递与力学耦合的过程。细胞之间既可以通过短程物理连接实现信号与物质交换，也可以通过远程通信来调控邻近或远端细胞行为。传统研究主要依赖遗传工程、蛋白工程来调控细胞界面行为，但这些方法普遍存在操作周期长、不可逆、空间调控能力有限等问题，难以满足对动态的细胞相互作用过程的精细操控需求。与此同时，随着DNA纳米技术与核酸化学生物学的发展，DNA不再仅仅是遗传信息载体，还是一种可编程纳米材料。适配体、DNAzyme、i-motif以及各种DNA纳米结构等功能核酸体系，为在非遗传层面重构细胞界面提供了全新的工具箱。前人的工作主要聚焦在细胞间相互作用的修饰方法或材料类型层面，本文从“功能角色”和“调控机制”角度，对功能核酸如何系统性介入细胞间相互作用进行统一梳理，强调不同功能核酸与应用的适配性，对该领域最新进展进行全面总结，并对当前功能核酸在细胞间相互作用中面临的挑战进行了分析，为未来的研究提供参考。

图文解析

文章图1以功能核酸为核心，将其在细胞间相互作用中的作用机制系统划分为四类：DNA杂交介导的可编程细胞连接、适配体等分子识别驱动的靶向相互作用、DNA纳米结构构建的空间与力学支架，以及DNAzyme、i-motif等功能核酸对光、pH、金属离子和ATP等刺激的动态响应。这些机制通过核酸序列互补、结构自组装和构象转变，在细胞膜界面实现可预测、可调控的相互作用。从“结构与功能”相匹配的角度，表明功能核酸并不只是材料工具，而是能够在“连接—识别—支撑—响应”四个层级上参与细胞相互作用，为后续免疫调控、信息传递、力学感知和组织构建提供统一逻辑框架。

图1. 功能核酸调控细胞间相互作用的整体框架示意图

细胞膜作为感知外部环境及介导物质与信息交换的媒介，其表面分布着脂质、蛋白质和碳水化合物等分子，这些分子参与着丰富的生物过程。功能核酸凭借其可编程序列、结构可控性及动态响应特性，在构建细胞表面复杂功能模块方面具有独特优势。图2重点阐述基于功能核酸用于编程细胞间相互作用的典型策略。将功能核酸调控策略明确区分为四种主导模式：DNA杂交通过Watson–Crick配对实现细胞间黏附；分子识别依赖适配体或配体–受体结合赋予选择性；利用DNA四面体或DNA折纸构建分子支架精确控制配体间距、排列与刚性；环境响应型核酸则通过构象切换或链置换，实现条件依赖、可逆调控。

图2. 功能核酸在细胞间相互作用中的不同策略示意图

图3展示了DNA杂交策略在细胞界面的实现路径：通过疏水修饰或共价连接将DNA单链锚定至细胞膜，再利用互补序列驱动细胞之间的特异性结合。通过引入多价DNA结构或杂交链式反应，可显著增强连接稳定性，并构建更高阶的细胞组装结构。该策略为“非遗传”的细胞组装提供了通用方案，避免了基因编辑的不可逆风险。尤其在构建人工免疫突触和三维组织中，DNA杂交为细胞间相互作用提供了高度可预测的“连接规则”。

图3. 用于细胞间相互作用的寡核苷酸杂交策略

图4展示了基于功能核酸的细胞间相互作用的另外两种策略，包括分子识别与可编程分子支架的构建。近年来，在细胞膜表面构建受体-配体系统已成为研究细胞间通讯及开发新型细胞治疗策略的重要途径。功能核酸通过模拟或调节受体-配体识别过程，以及利用适配体的特异性靶向，能够实现对细胞间相互作用的精准调控。此外，DNA纳米结构由于其结构刚性与精确的空间可寻址性，为编程细胞间相互作用提供了多功能的分子支架平台。利用这些特性，功能核酸既可形成具有高稳定性的静态结构支架，也可构建动态可重构的支架，使其能够改变构象或连接方式。将适配体或配体以精确定义的空间构型呈递至细胞表面，从而调控受体激活、受体聚集与下游信号转导。通过控制支架尺寸、配体密度与间距，可在纳米尺度上重塑细胞界面几何结构。该策略突破了传统蛋白修饰在空间精度上的限制，能够系统研究“几何参数”如何影响细胞信号。

图4. 功能核酸利用分子识别与可编程分子支架调控细胞间相互作用

许多细胞表面工程策略具有不可逆性，这限制了其在细胞间相互作用动态调控中的进一步应用。功能核酸可响应光、金属离子、pH值及小分子等外部刺激，为动态调控细胞间相互作用提供了新工具。图5展示了功能核酸利用光响应和链置换反应在细胞界面的应用。光响应系统通过光致构象变化实现可逆组装；链置换体系则利用特定序列触发DNA回路，实现细胞组装路径的选择性开启与关闭。这些策略将细胞间相互作用从“静态连接”推进到“动态程序控制”，使细胞组装具备时间顺序、可逆性和逻辑选择能力，为模拟生理过程中的短暂接触和多轮互动提供可能。

图5. 功能核酸响应光和DNA激活链调控细胞间相互作用

图6展示了DNAzyme、i-motif和ATP适配体等功能核酸感知肿瘤微环境信号调控细胞相互作用。例如，金属离子激活DNAzyme剪切连接链，酸性环境诱导i-motif折叠缩短细胞间距，ATP结合触发膜上HCR形成聚合结构。这些设计将微环境因素转化为“调控指令”，极大提升了精准免疫和智能治疗系统的潜力。

图6. 功能核酸响应金属离子、pH和ATP调控细胞间相互作用

功能核酸在细胞间相互作用中的代表性应用，涵盖细胞免疫治疗、细胞通讯、细胞间作用力以及体外组织构建领域。图7展示了通过适配体、双特异性适配体等结构桥接，增强NK细胞对肿瘤细胞的识别、黏附与杀伤。功能核酸既可阻断抑制性信号，也可促进免疫突触稳定形成。该策略提供了CAR-NK的非遗传替代方案，显著降低了安全风险，同时具备高度模块化与可扩展性。

图7. 功能核酸在NK细胞-肿瘤细胞相互作用中的应用

图8展示了功能核酸在T细胞–肿瘤细胞相互作用中的多种应用，包括通过适配体将T细胞精准引导至肿瘤细胞表面；利用DNA支架在细胞界面模拟或增强免疫突触结构；以及通过非遗传方式在T细胞膜上构建人工识别与激活模块。这些策略共同作用于TCR–pMHC轴或共刺激信号通路，通过调控配体密度、空间排列和局部聚集行为，增强T细胞的识别灵敏度与激活效率。相较于传统CAR-T或抗体介导策略，功能核酸方案具有模块化强、可逆性高、调控精度高等优势，为应对实体瘤中抗原异质性和免疫逃逸提供了新的解决思路。

图8. 功能核酸在T细胞-肿瘤细胞相互作用中的应用

图9展示了功能核酸在巨噬细胞–肿瘤细胞相互作用中的工程化应用策略。通过将肿瘤靶向适配体、免疫调控模块或多价DNA纳米结构锚定至巨噬细胞表面，能够增强巨噬细胞对肿瘤细胞的识别与黏附，并进一步促进吞噬行为及促炎信号通路的激活。此外，多价DNA支架可同时调控多个受体的空间排列，实现对巨噬细胞免疫表型的精细调节。

图9. 功能核酸在巨噬细胞-肿瘤细胞相互作用中的应用

图10重点展示了功能核酸在细胞间通讯中的“信息处理”能力。通过链置换反应网络、DNA逻辑回路和反馈回路设计，功能核酸不仅作为连接或识别模块存在，还能够对输入信号（如特定核酸、代谢物或环境变化）进行逻辑判断，并输出对应的细胞行为响应。这些系统可在细胞间界面上运行，实现信号放大、路径选择与动态反馈控制，标志着功能核酸研究从“结构调控”迈向“信息调控”。在这一框架下，细胞间相互作用不再是简单的二元连接，而是被视为一个可编程的信息交换过程。这一理念为构建人工细胞通讯网络、模拟免疫系统反馈调节以及发展合成免疫学提供了重要技术基础。

图10. 功能核酸在细胞间通讯中的应用

图11集中展示了DNA力学探针在细胞间相互作用力学研究中的应用原理。这类探针通过可设计的DNA构象单元，在受力拉伸超过特定阈值时发生构象变化并释放荧光信号，从而将分子尺度的机械力转化为可成像信号。通过调节DNA序列与结构，可实现对不同力学阈值和方向的精确测量。该策略为解析细胞间相互作用中的力学维度提供了前所未有的分子分辨率工具。与传统牵引力显微技术相比，DNA力学探针能够直接定位到特定受体–配体对（如TCR–pMHC），揭示力学信号在免疫识别、黏附稳定性和信号放大中的关键作用。

图11. 功能核酸在监测细胞间作用力中的应用

图12展示了利用DNA杂交、DNA origami连接器及核酸模式化技术，在单细胞精度上引导多细胞自组装的策略。通过预设DNA互补关系和空间分布，可精确控制细胞在三维空间中的位置、相邻关系与组织结构，并在后续阶段通过酶解或环境刺激实现动态重构。该策略将功能核酸从“细胞界面调控工具”拓展至组织尺度的空间编程平台。相较于传统三维培养方法，DNA介导的组织构建具有高度可重复性和可设计性，为构建标准化肿瘤模型、类器官系统以及药物筛选平台提供了全新的技术路径。

图12. 功能核酸在体外构建三维组织中的应用

总结与展望

本文系统梳理了功能核酸在细胞间相互作用研究中的策略体系与应用进展，展现了功能核酸正在从单一的“结构或修饰工具”，发展为集成识别、支撑、响应与信息处理能力的细胞界面工程平台。首先介绍了不同类型功能核酸的结构与功能特征，指出适配体在高特异性分子识别中的独特优势，DNA纳米结构在空间组织与多价呈递方面提供了精确的几何控制，而DNAzyme、i-motif及链置换反应网络等动态核酸体系则赋予细胞界面可逆响应与逻辑调控能力，这些多样化的功能核酸共同构成了细胞界面工程的“分子工具箱”。

从机制层面看，功能核酸的核心优势并不局限于能否连接细胞，而在于其高度可设计的空间、时间与信息维度。从功能贡献出发，将核酸策略系统归纳为DNA杂交、分子识别、分子支架构建与环境响应四大类，使得不同核酸体系在细胞界面中所承担的角色分工得以明确。在应用层面，功能核酸为免疫调控提供了非遗传、模块化的新路径。无论是在NK细胞、T细胞还是巨噬细胞体系中，功能核酸介导的界面重构都展现出在精准识别、免疫突触稳定性以及功能激活方面的独特优势，显示出作为CAR类策略补充甚至替代方案的潜力。同时，DNA力学探针与三维组织构建策略的引入，进一步将功能核酸的应用边界拓展至力学信号解析与组织尺度工程，使其成为连接分子机制、细胞行为与组织功能的重要桥梁。

展望未来，功能核酸要实现从概念验证走向复杂生理体系乃至临床应用，仍需应对多重挑战。其中包括核酸体系在体内环境中的稳定性与可控递送、复杂微环境下多信号触发的精确阈值设定，以及随着系统复杂度提升而带来的反应串扰与行为不可预测性。未来的突破将高度依赖于DNA纳米技术、免疫工程、力学生物学与计算设计的深度交叉融合，在更接近生理条件的三维组织模型中对细胞界面动态行为进行系统验证，有望加速构建更加智能、自适应且可转化的功能核酸细胞界面工程体系。

课题组介绍

刘珍宝教授课题组主页：https://faculty.csu.edu.cn/liuzhenbao/zh_CN/index/20098/list/index.htm

原文信息

Z. Zhang, Y. Liu, Q. Chen, Y. Liu, Y. Tan, Y. Man, Z. Cheng, K. Shao, Q. Wang, S. Du, Z. Lv, Z. Liu, Functional Nucleic Acids for Cell–Cell Interactions. Small 2025, e12348. DOI:10.1002/smll.202512348