Acc. Chem. Res.：功能DNA分子構筑具有選擇性和刺激響應性納米粒子用于生物醫學應用

【研究背景】

納米粒子（NPs）由于其固有的電子、光學、磁性、機械和生理特性，在改善疾病診斷和治療方面具有巨大潛力。為了充分發揮納米醫學的潛力，納米粒子必須具有生物相容性，并可以特異性靶向和識別特定的生物分子，以確保在復雜環境（如活細胞，組織，動物和人體）中進行選擇性傳感、成像和藥物遞送。功能DNA（fDNA）分子包括適配體、DNA酶和適配體酶，可通過體外選擇或通過指數富集的配體系統進化獲得（SELEX）。此外，fDNA在生物應用上具有許多優點，如體積小、免疫原性低、易于合成和化學修飾、以及易于表面固定。將fDNA整合到納米粒子上可以賦予納米粒子對多種靶標的特異性識別能力，包括小分子、生物大分子、甚至病毒或細胞。許多研究小組已經探索了構建fDNA工程化納米粒子的新方法，并研究其在納米醫學診斷和治療方面的應用。

【成果簡介】

近期，國家納米中心李樂樂研究員與美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校陸藝教授系統地總結了他們發展的將功能DNA整合到納米材料的新方法和新策略及其在生物傳感、靶向藥物遞送等方面的應用。通過將金納米粒子、量子點、氧化鐵納米顆粒等無機納米粒子以及脂質體、共聚物納米顆粒等有機納米粒子與功能DNA組裝，他們設計了具有刺激響應性的fDNA-NPs組裝體，不僅可作為基于比色、熒光和磁共振成像(MRI)的傳感器，用于診斷各種分析物；也可以作為腫瘤微環境響應的靶向成像和藥物遞送平臺。他們還展示了DNA介導的納米粒子表面功能化和形貌控制合成，以及可作為特定生物探針的納米粒子組裝體。為實現對功能DNA識別特性高時空分辨率的精確控制，他們還構建了一系列具有光激活傳感和成像功能的fDNA修飾的納米探針，并實現了該類探針對目標物的特異性響應和精準檢測。。最后，作者討論了功能DNA工程化納米材料在生物醫學應用上面臨的挑戰和未來發展前景。這些成果近日以題為“Functional DNA Molecules Enable Selective and Stimuli-Responsive Nanoparticles for Biomedical Applications”發表在知名期刊Acc. Chem. Res.上。

【圖文導讀】

fDNA通常不具有能夠直接產生可檢測信號的官能團。為了將fDNA轉化為傳感探針，可以將fDNA與無機NPs結合起來，利用其獨特的光學和磁學特性，構建新型傳感器。

圖1、（A）基于通過鈾酰特異性DNA酶連接的AuNP的解組裝的比色傳感器。（B）基于適配體/AuNP的側向流動裝置：（a）腺苷誘導的適配體連接的AuNP的解組裝;（b）在使用前（左條帶）和負（中間條帶）或正（右條帶）測試中裝載有組裝的AuNP的側向流動裝置的示意圖。（C）基于凝血酶誘導的適配體功能化SPIO組裝的MRI造影劑的設計。

稀土離子摻雜的上轉換納米顆粒(UCNPs)由于具有將近紅外(NIR)輻射上轉換為短波長發光的特殊能力，已成為一類令人振奮的新型無機納米熒光材料。特別的，上轉換發光材料在生物成像上具有其獨特的優勢：如發光具有anti-Stokes位移，無背景熒光、近紅外光組織穿透性強、抗光漂白以及多色標記等。為了將其用于生物成像，需要對UCNPs進行修飾，使其具有水溶性和生物相容性，但煩瑣的修飾步驟通常導致低的連接效率和再現性。為了應對這一挑戰，作者開發了簡單的方法來制備用于生物傳感和成像的DNA功能化UCNPs。進一步，作者通過利用DNA介導的納米粒子自組裝和納米粒子形貌控制合成，構建了納米影像探針。

圖2、（A）通過使用磷脂的仿生表面工程合成水溶性和可官能化的UCNPs。（B）（a）通過一步配體交換策略合成DNA功能化UCNP和（b）用適配體-UCNP生物共軛體靶向癌細胞成像的示意圖。（C）（a）DNA-Au/UCNP超結構的可控自組裝和（b）具有不同處理的4T1細胞的共聚焦顯微鏡圖像。（D）（a）DNA-AuNF的序列特異性合成的示意圖和（b）用DNA-AuNF處理或未經處理的CHO細胞的暗場圖像。

盡管已經篩選了對許多金屬離子具有高靈敏度和特異性的DNAzyme，但大多數DNAzyme實現了檢測環境樣品中的金屬離子（如水和土壤）， DNAzyme用于在活細胞中成像金屬離子的應用直到最近才被報道。作者開發了一種光化學caging-decaging策略，以實現光激活的DNAzyme用于活細胞中的金屬離子的成像，進一步，作者利用UCNPs發光特性將紅外光轉換為紫外光，分別實現了活體內金屬離子和腫瘤微環境中ATP的選擇性成像檢測。

圖3、（A）（a）用于成像活細胞中的鈾酰離子的DNA酶-AuNP探針的設計和（b）具有不同處理的HeLa細胞的共聚焦顯微鏡圖像。（B）（a）NIR激活的TSDP-AuNS探針的設計和（b）用TSDP-AuNS探針進行細胞內Zn²⁺成像。（C）（a）設計用于檢測Zn²⁺的近紅外控制的DNAzyme-UCNP探針；（b）通過近紅外激活的DNAzyme?UCNP探針對Zn²⁺共聚焦顯微鏡圖像。（D）（a）紫外光激活的適配體探針的設計和（b）用于活細胞ATP成像的近紅外激活的DNA納米探針。

盡管化療有嚴重的副作用，但它仍然在癌癥治療中發揮著重要作用。通過多價納米藥物的靶向給藥允許治療藥物在腫瘤中的選擇性積累和攝取，從而可以減輕常規化療的不良副作用。由于介孔二氧化硅納米顆粒(MSN)具有良好的生物相容性，以及用于可控封裝和釋放成像/治療藥物的可調納米孔，引起了研究者的廣泛關注。通過將癌癥特異性適體引入介孔二氧化硅納米載體中，作者開發了一種通用的策略來構建靶向藥物遞送體系。

圖4、（A）多價適配體功能化MSN用于靶向藥物遞送。（B）具有維生素響應性藥物釋放的適配體-MSN靶向給藥系統。

雖然fDNA工程化的無機NPs作為生物傳感，生物成像和靶向藥物遞送的新型試劑顯示出了巨大潛力，但它們在人體中的長期作用仍然是未知的。在明確這些健康影響之前，有機NPs可以作為納米醫學應用的良好替代品。為實現這一目標，作者開發了一種酶響應脂質體材料，以實現靈敏和多樣化的功能性DNA傳感器。

圖5、用于小分子靶標多模態檢測的刺激響應型脂質體策略的工作原理。

對于涉及生物?納米界面相互作用的基于fDNA的納米醫學應用，限制其開發過程的一個關鍵因素是難以精確控制載體內部和表面的化學性質。通過最近與Steve C. Zimmerman教授的團隊合作，報道了一種自下而上的方法，使用順序的分子內開環復分解聚合和閉環復分解(ROMP-RCM)過程來制備直徑在約5 nm到50 nm之間的聚合物有機NPs。該類納米顆粒含有一系列具有可控價的官能團，允許數目可控的結合其它官能團，包括PEG和DNA的大分子等。

圖6.（A）以單鏈嵌段共聚物作為模板，自下而上合成單價DNA-NP偶聯物。（B）結合適配體的脂質體包封藥物/成像試劑。（C）適配體-脂質體的靶向能力可通過使用不同長度的Oligo-T序列作為間隔物來調控。

【總結展望】

在該綜述中，作者討論了為各種生物醫學應用設計合成的功能性DNA-NPs的進展。作者總結了他們開發的幾種策略，這些策略將fDNA的生物識別能力與無機和有機NP的獨特光學、磁學和電學特性相結合，用于靈敏和快速檢測分析物，生物成像和靶向藥物輸送。除此之外，作者還描述了新型功能性DNA設計以及DNA在極具挑戰性的NP表面上的可控固定，所有這些對于滿足現代納米醫學的高性能要求至關重要。

盡管最近取得了進展，仍然存在需要進一步研究和改進的挑戰。首先，隨著具有較大吸引力的光學、磁學和電學特性的NP的快速發展，各種fDNA?納米粒子已經被設計和探索用于POC診斷。。然而，仍然缺少明確的臨床轉化方案。可能的原因抗體的成熟的商業基礎設施及其對許多臨床相關目標的有效性使得fDNA難以滲透到POC市場。

此外，大多數報道的用于活細胞中分子成像的生物傳感器對其活性幾乎沒有空間和時間控制，因此可能在遞送過程中打開信號。為了解決這個問題，已經開發出可光激活的納米探針，用于在復雜的生物環境中檢測和成像分析物，具有增強的時空精度。特別是，通過將功能DNA與上轉換納米技術耦合，實現了近紅外光控的生物成像。然而，光激活的傳感系統仍然局限于光可以容易穿透的生物，例如斑馬魚。目前需要開發其他時空控制策略，以便用于動物和人體成像。

盡管納米醫學在過去十年中受到了廣泛關注，但其臨床轉化仍處于早期階段，其進展受到許多阻礙。隨著靶向藥物釋放研究向臨床領域邁進，很少有主動靶向的納米藥物平臺進入臨床III期試驗，并且沒有任何靶向納米藥物獲得臨床批準。此外，幾個關鍵問題延遲了基于適體的靶向給藥的臨床發展：如缺乏對抗體具有類似親和力和選擇性的臨床相關靶標的適體，缺乏這些材料的大規模制造基礎設施，缺少生物相容性和安全性數據等。一個潛在的方向是使用癌癥靶向適體來改善FDA批準的納米載體(如脂質體)的藥代動力學特征和靶向性，并加強對fDNA?NPs的毒性評估研究。通過克服這些挑戰，fDNA?NPs將在推動納米醫學的基礎科學和臨床應用方面發揮關鍵作用。

文獻鏈接：Functional DNA Molecules Enable Selective and Stimuli-Responsive Nanoparticles for Biomedical Applications (Acc. Chem. Res. 2019, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00167)

本文由大兵哥供稿。

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