Itamar Willner教授Adv. Funct. Mater.：基于核酸的水凝膠涂覆的MOF納米粒子用作刺激響應的可控藥物釋放

【引言】

金屬有機框架 (MOF)，憑借其高孔隙特征可用于多種多樣的應用，如氣體吸附和分離、作為催化基體、作為藥物載體用于可控藥物釋放、傳感器等，吸引了研究者們極大的興趣。此外，DNA納米技術引入了“DNA開關”的概念，并取得了相應進展。其中超分子核酸結構，在存在合適信號和逆信號時可以發生可逆轉換，因此可用于設計DNA機器重新轉換DNA納米結構，用于合成基于DNA的水凝膠發生膠狀和液體狀態的可逆轉變，也可用于建構手性等離子激元的納米粒子的組裝。因此，多孔的MOF納米粒子負載藥物，并連接可刺激響應的核酸封端單元，提供了一種通用方式用于開發智能藥物載體。然而，有關核酸功能化的MOF納米粒子的報道非常少，而且MOF納米粒子封端過程中導致了其負載量的降低。因此，探索出一些新穎的MOF納米粒子與核酸的封端方法從而有效避免其局限性至關重要。

【成果簡介】

近日，以色列耶路撒冷希伯來大學的Itamar Willner院士(通訊作者)等人在Advanced Functional Materials期刊上發表了題為“Stimuli-Responsive Nucleic Acid-Based Polyacrylamide Hydrogel-Coated Metal–Organic Framework Nanoparticles for Controlled Drug Release”的文章，文中作者利用MOF納米粒子負載DOX抗癌藥物，并且涂覆了一種可刺激響應的聚丙烯酰胺/DNA水凝膠。這種水凝膠的交聯是通過含有抗ATP核酸適體的核酸雙鏈體在籠形構造中實現的。當存在ATP時，這種交聯的橋接單元因為形成ATP-核酸適體復合物而被分離，進而導致水凝膠殼的分離，從而釋放藥物。

【圖文簡介】

圖一：水凝膠涂覆的MOF納米粒子合成過程示意圖及微觀形貌表征

（A）水凝膠涂覆的MOF納米粒子合成過程示意圖。首先，UiO-68 MOF納米粒子是通過加熱ZrCl₄合成的，之后將其表面的氨基官能團轉換為疊氮化物官能團，以連接改性后的核酸。隨后，將抗癌藥物DOX負載進MOF納米粒子中，并且該載體通過雜化以形成雙鏈的固定單元。將形成的MOF納米粒子進一步沉淀并懸浮在包含有兩個發夾結構的DNA官能化的丙烯酰胺聚合物鏈P_A和P_B的緩沖溶液中。

（B）水凝膠涂覆的MOF納米粒子通過形成ATP-核酸適體復合物釋放藥物的示意圖。ATP接觸該復合系統后，會形成ATP-核酸適體復合物，從而造成橋接單元的分離，進而斷裂部分水凝膠，引起藥物釋放。

（C）MOF納米粒子SEM圖像。MOF納米粒子呈現出一種雙金字塔結構，并且尺寸在280-350 nm。

（D）水凝膠涂覆的MOF納米粒子SEM圖像。MOF納米粒子比較尖銳的角消失了，而且粒子的表面越來越光滑。

圖二：水凝膠涂覆的MOF納米粒子在ATP作用下的DOX釋放特征

（A） 時間相關的DOX從水凝膠涂覆的MOF納米粒子中釋放的曲線：a) 加入ATP后，b) 沒有添加ATP。

（B）不同ATP濃度下的DOX從水凝膠涂覆的MOF納米粒子中釋放的熒光光譜：a) 0×10^-3 M；b) 5×10^-3 M；c) 10×10^-3 M；d) 25×10^-3 M；e) 50×10^-3 M。從中可以看出DOX的釋放可以通過調節ATP的濃度控制，且隨著ATP濃度增加，釋放量逐漸增加。

（C）添加了a) ATP，0×10^-3 M；b) TTP，50×10^-3 M；c) GTP，50×10^-3 M；d) CTP，50×10^-3 M和 e) ATP，50×10^-3 M后，DOX從水凝膠涂覆的MOF納米粒子中的選擇性釋放，除ATP外其他核苷三磷酸不能刺激負載物的釋放。

（D）對比時間相關的從水凝膠涂覆的MOF納米粒子和核酸封端的MOF納米粒子中釋放/泄漏的DOX：a) 在ATP作用下從水凝膠涂覆的MOF納米粒子中釋放的DOX；a’）沒有ATP作用下從水凝膠涂覆的MOF納米粒子中泄漏的DOX；b) 在ATP作用下從核酸封端的MOF納米粒子中釋放的DOX；b’) 沒有ATP作用下從核酸封端的MOF納米粒子中釋放的DOX。從中可以看出水凝膠涂覆的MOF納米粒子ATP觸發下釋放的DOX量更高，泄漏量更少，因此更有效。

圖三：水凝膠涂覆的MOF納米粒子在嵌入不同細胞下的共聚焦顯微鏡圖像

（A）負載DOX的核酸封端的MOF納米粒子進入I) MCF-10A 乳腺上皮細胞和 II) MDA-MB-231乳腺癌細胞的共聚焦顯微圖像；負載DOX的水凝膠涂覆的MOF納米粒子進入III) MCF-10A 乳腺上皮細胞和 IV) MDA-MB-231乳腺癌細胞的共聚焦顯微圖像。紅色熒光點表示了滲透進入細胞的MOF納米粒子，從中可以看出只有少量的MOF納米粒子滲透進入MCF-10A乳腺上皮細胞，而由于癌細胞增強的滲透和保留效應，更多的MOF納米粒子滲透進入了乳腺癌細胞。

（B）I) A中(II)的放大圖像， II) A中(IV)的放大圖像。II中模糊的區域（黃圈）是因為在MOF納米粒子上涂覆的水凝膠。

圖四：水凝膠涂覆的MOF納米粒子對不同癌細胞的毒性研究

MOF納米粒子對乳腺癌細胞和正常乳腺上皮細胞的毒性：

a) 對照組；

b) 細胞被核酸封端的MOF納米粒子處理；

c) 細胞被水凝膠涂覆的MOF納米粒子處理；

d) 細胞被負載DOX的核酸封端的MOF納米粒子處理；

e) 細胞被負載DOX的水凝膠涂覆的MOF納米粒子處理。從中可以看出水凝膠涂覆的MOF納米粒子處理后的MDA-MB-231乳腺癌細胞的存活率最低。

圖五：水凝膠涂覆的MOF納米粒子對乳腺癌細胞的毒性研究

（A）在24 h和120 h后凝聚細胞的相差和紅色熒光圖像（紅色熒光代表了細胞的凋亡）；

（B）時間相關的乳腺癌細胞凋亡曲線。

a) 細胞用沒有負載的水凝膠涂覆的MOF納米粒子處理后，

b) 細胞用負載DOX的ATP響應的核酸封端的MOF納米粒子處理后，

c) 細胞用負載DOX的ATP響應的水凝膠涂覆的MOF納米粒子處理后。

【小結】

本文介紹了可刺激響應的基于核酸的水凝膠涂覆的MOF納米粒子作為一種新穎的復合藥物載體。ATP響應的聚丙烯酰胺水凝膠MOF納米粒子相比于用雙鏈核酸單元封端的MOF納米粒子作為藥物載體的效率得到了很大的提升。水凝膠涂覆的MOF納米粒子的負載量得到了可觀地增加，并且從該系統中負載藥物的泄漏量也得到了降低。此外，該復合藥物載體對MD-MBA-231癌細胞的細胞毒性也非常高。因此，這些結果表明作者成功開發了一種性能提升的可刺激響應的水凝膠-MOF納米粒子作為藥物載體。

文獻鏈接：

Stimuli-Responsive Nucleic Acid-Based Polyacrylamide Hydrogel-Coated Metal–Organic Framework Nanoparticles for Controlled Drug Release (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201705137)

本文由材料人編輯部昝萍編譯，點我加入材料人編輯部。

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