天津大学仰大勇教授课题组2019年成果概览

仰大勇教授简介

仰大勇，天津大学化工学院教授、博士生导师、院长助理。任天津大学校学术委员会委员、中国生物医学工程学会纳米医学与工程分会委员。2002年在华中科技大学取得学士学位；2005年在华中科技大学取得硕士学位，师从解孝林教授；2008年在中国科学院国家纳米科学中心取得博士学位，师从蒋兴宇研究员。先后在美国康奈尔大学（合作导师：罗丹教授）和荷兰奈梅亨大学（合作导师：Wilhelm T. S. Huck）从事博士后研究。2015年开始在天津大学化工学院工作。入选国家级海外人才计划，获“国家优青”资助。课题组研究方向是材料化学与生物医学的交叉领域，聚焦DNA合成与智能制造，利用材料化学的手段理解生命系统运行机制，探索重大疾病的诊断治疗新途径。近期代表性成果发表在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Prog. Polym. Sci.、Nano Lett.等国际著名期刊上。

仰大勇教授课题组

下面以仰大勇教授课题组代表性研究方向简要介绍该课题组2019年（包含2020年出版）所取得的成果。

（一）多功能水凝胶材料合成及应用

1. 超软超弹磁驱动导航DNA软体机器人用于受限空间细胞递送

受自然界软体生物的启发，该课题组构建了一种基于DNA水凝胶材料的DNA软体机器人（图1）。该水凝胶的弹性模量低于1 Pa，表现出超软特性；且可被拉伸13倍以上，表现出超弹特性。在磁驱动下，DNA机器人可运动通过比自身体积更小的狭窄通道，还可进入不规则形状的凹槽空间，甚至可完成复杂路径迷宫中的行走任务。更重要的是，DNA水凝胶具备三维多孔结构和良好的生物相容性，可作为细胞的三维培养载体材料，在磁导航驱动下将细胞递送至受限空间，且不影响细胞的活性。该DNA软体机器人可望用于诊断治疗、可植入医疗设备和微创手术等重要生物医学相关领域。研究结果发表于Angewandte Chemie International Edition（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2490-2495）。

图1. DNA软体机器人的分子设计原理图。A）通过滚环扩增方法（RCA）合成超长DNA链。B）构建永久交联点和动态交联点，形成DNA网络。C）具有自适应性能的DNA机器人在磁导航驱动下通过极窄的狭缝，并恢复原来的高度。D）活细胞在DNA网络内部三维培养的荧光显微镜图像。E）DNA机器人穿过极窄的狭缝将其装载的活细胞递送到指定位置。F）细胞与DNA机器人共孵育后保持很高的存活率。

2. DNA水凝胶网络实现干细胞特异性高效捕获

该课题组开发了一种基于物理交联的DNA水凝胶网络的细胞捕获策略，实现了对骨髓间充质干细胞的高效捕获、三维包封和酶促释放（图2）。这种物理交联的DNA水凝胶网络不仅为细胞培养提供了弹性、半湿润和三维的类细胞外基质环境，而且其适当的孔径有利于营养物质的运输以及细胞代谢废物的排出，可以确保被包封的细胞保持良好的活性。在该研究基础上，利用DNA分子的可编程性和分子识别能力，可以设计具有不同结构和功能的DNA网络，为捕获和培养其他类型的细胞提供了一种通用策略。研究结果发表于Journal of the American Chemical Society（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 7, 3422-3429），并入选杂志supplementary cover。

图2. Journal of the American Chemical Society杂志2020年142卷supplementary cover图：DNA水凝胶网络用于捕获干细胞。A）DNA水凝胶网络从骨髓细胞中捕获间充质干细胞和释放示意图。B）DNA水凝胶网络实现三维细胞包封，释放后细胞保持高活性。

3. 新型可逆荧光变色生物功能水凝胶

该课题组制备了一种具有可逆荧光变色响应行为的基于稀土-甘露糖的水凝胶。如图3所示，该研究利用甘露糖作为配体，在水溶液中与稀土离子作用，敏化稀土离子发光；在体系中引入明胶网络，成功制备稀土水凝胶。有趣的是，得到的稀土水凝胶对外界金属离子的响应具有可逆的荧光变色行为。由于该水凝胶具有良好的生物相容性，将其作为细胞三维培养基质，在细胞的观测过程实现基质水凝胶荧光信号可控“开”和“关”，为多色荧光染色的细胞三维培养提供有效的观测策略。这一新材料将在生物医学领域具有广阔应用潜力。研究结果发表于Advanced Science（Adv. Sci., 2019, 6, 1802112）。

图3. 基于稀土-甘露糖配合物水凝胶制备示意图。a）稀土与甘露糖形成配合物；b）在配合物中引入明胶网络形成水凝胶，水凝胶具有可逆的荧光变色特性；c）水凝胶用于细胞三维培养。

4. 碲铂动态配位体系和机械性能可逆调控的智能水凝胶

该课题组发展了氧化还原响应动态材料化学新体系——基于碲铂配位作用的动态体系，并合成了动态水凝胶，通过氧化还原刺激实现水凝胶机械性质的动态调控（图4）。有机碲可与一些过渡金属离子（例如铂离子）形成良好的配位作用，并且这种配位作用具有灵敏的氧化还原刺激响应性。通过分子热力学模拟，从分子水平阐明了这种动态配位机理。进一步，在含碲分子两端修饰上丙烯酰胺基团，利用自由基聚合将有机碲引入到水凝胶骨架中，同时在水凝胶体系中加入铂离子，通过碲铂配位实现了水凝胶体系的进一步交联。机械性能动态可调的水凝胶在仿生驱动器、软质机器人等领域具有巨大的应用潜能。研究结果发表于Chemistry of Materials（Chem. Mater., 2020, 32, 2156-2165）。

图4. 基于碲铂动态配位的材料化学新体系

5. DNA高分子水凝胶研究系统评述

课题组结合自身的研究工作，从DNA的分子结构特点出发，对DNA水凝胶的设计原则、制备方法、功能调控和应用发展等方面做了全面地介绍和评述（图5）。他们对DNA水凝胶发展中的标志性工作做了全面梳理，探讨了在不同的应用场景中DNA水凝胶的优势和不足，对DNA水凝胶领域存在的挑战、潜在的解决方案和未来发展方向做了深入讨论。该综述文章期望推动更多高分子专家和材料学家认识、认可并介入这一领域，共同努力推动DNA高分子材料的发展。该综述发表于高分子领域顶级综述期刊Progress in Polymer Science（Prog. Polym. Sci., 2019, 98, 101163），并入选杂志封面。

图5. Progress in Polymer Science杂志2019年98卷封面图：DNA高分子水凝胶作为新兴生物功能材料在生物医学等领域的应用

（二）DNA材料构建人工生命系统简化模型

1. 纳米界面上的基因线路区室化促进级联基因表达

该课题组通过在金纳米颗粒上共同锚定两段在功能上具有关联性的基因，构建了纳米界面上的基因线路区室化结构，并利用无细胞基因表达系统研究了基因线路区室化对级联基因表达的影响（图6）。本研究采用聚合酶链式反应（PCR）在两种基因的一端各组装了一个带有两个巯基修饰的枝状支架，并通过金硫键将两种基因共同锚定在金纳米颗粒表面，在纳米界面上构建了的基因线路区室化结构。这种基因线路区室化结构提高了报告蛋白的产率和初始表达率，缩短了级联基因表达的反馈时间，并可以在相对较低基因浓度下更能发挥空间区室效应，显著提高级联基因表达效率。该研究工作不仅为构建纳米界面上基因线路区室化提供了一个简化的模型，更为了解细胞构筑与功能之间的关系提供重要启示。研究结果发表于Journal of the American Chemical Society（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 19171-19177）。

图6. 在金纳米颗粒表面构建的基因线路区室化结构。A）模型基因线路包含调控蛋白T7 RNA聚合酶基因和报告蛋白增强型绿色荧光蛋白基因。B）利用PCR在两种基因的一端各组装一个带有两个巯基修饰的枝状支架。C）纳米界面上的基因线路区室化结构将调控蛋白基因和报告蛋白的之间的空间距离拉近在纳米级范围内，为无细胞级联基因表达提供了区室化。

2. 枝状DNA结构构建用于无细胞基因区室化研究

该课题组利用枝状基因拉近三个转录单元之间的物理距离，使转录酶（RNA聚合酶）在相邻转录单元之间更高效地穿梭，为无细胞基因表达提供了基因区室化结构（图7）。在低基因浓度和低RNA聚合酶浓度下，基因区室化结构提高了基因的表达效率。此外，在不同程度的拥挤环境中，枝状基因始终保持相对较高的表达水平。该工作为构建枝状DNA结构提供了新的策略；同时，构建的枝状DNA结构为研究细胞微环境对基因表达的调控提供了新模型。研究论文发表于ChemBioChem（ChemBioChem, 2019, 20, 2597-2603）。

图7. 基于聚合酶链式反应（PCR）构建枝状基因区室化结构。a）利用补骨脂素交联枝状DNA结构，合成热稳定性枝状DNA，作为PCR引物。b）利用PCR组装合成枝状基因结构。c）枝状基因为无细胞表达提供基因区室化。

3. 可进行蛋白表达的新型仿生基因水凝胶

该课题组利用丙烯酰胺修饰的DNA分子作为引物，通过聚合酶链式反应合成了丙烯酰胺功能化的基因片段，通过自由基聚合反应成功实现了DNA分子的化学交联和高效压缩，制备了新型功能化基因水凝胶（图8）。与细胞中基因高度压缩的细胞核相似，在该水凝胶中，DNA分子既作为水凝胶骨架，又保留了其基因功能，在无细胞合成系统中可实现蛋白质的高效表达。该基因水凝胶具有优异的流变性能和良好的稳定性，在组织工程、再生医学、原位药物递送等生物医学领域具有可观的应用前景。研究结果发表于 SCIENCE CHINA Chemistry（Sci. China. Chem., 2020, 63, 1, 99-106）。

图8. 新型功能化基因水凝胶示意图

（三）功能材料用于疾病检测、治疗和成像

1. 基于枝状DNA纳米结构精准快速无酶化检测单碱基突变

该课题组借助于DNA纳米技术，实现了单碱基突变的精准、快速和无酶化检测。设计了一种基于枝状DNA纳米结构的靶标触发聚合体系（target-triggered polymerization，TTP），两种枝状DNA单体在特异性靶标序列的触发下快速聚合，实现快速、无酶化的碱基突变检测（图9）。该体系可有效区分不同数目的碱基突变（1-4个碱基），以及单碱基突变的不同位置，无需酶的参与，还具有极好的特异性和皮摩尔级别的灵敏度，在一系列复杂环境中均表现出很好的稳健性。该研究工作丰富了DNA纳米技术在碱基突变这一领域的应用，有助于精准医疗和个性化医疗在实际生活中的推广，同时对于揭示生物学现象、探索疾病治疗方法具有重要的启示意义。研究结果发表于Cell子刊iScience（iScience, 2019, 21, 228-240）。

图9. 基于枝状DNA的靶标触发聚合（TTP）反应通过同步进行的靶标识别和信号放大技术实现无酶化快速单核苷酸突变检测。正常DNA同时作为两种X型DNA的连接链和反应的触发剂，诱导X型DNA聚集以形成DNA纳米球，而突变DNA无法引发X型DNA的聚集，表现出较低的信号强度。

2. 长余辉水凝胶用于靶向、持续和无自发荧光的肿瘤转移成像

该课题组设计合成了一种长余辉水凝胶（PL-gel），用于肿瘤转移的可视化成像研究（图10）。PL-gel由肿瘤特异靶向性的长余辉纳米探针和生物相容性良好的海藻酸钠水凝胶构成，能够靶向识别、持续标记肿瘤细胞，并实现无自发荧光的肿瘤转移成像。长余辉纳米探针能够在无外界光激发时，持续发出近红外光，实现无背景干扰的深组织成像。通过表面修饰肿瘤特异性配体，可以实现受体介导的特异性肿瘤识别和标记。这种长余辉水凝胶可以持续释放标记探针，克服巨噬细胞的干扰，实现肿瘤转移的无创、高选择性、无背景干扰成像示踪，为肿瘤转移研究提供论文一种通用性平台。研究结果发表于Nano Letters（Nano Lett., 2020, 20, 252-260）。

图10. 基于PL-gel的肿瘤转移示踪系统。A）PL-gel的构建。B）PL-gel用于持续的肿瘤特异性标记和肿瘤转移的无自发荧光示踪

3. 具有超长余辉发光的金属有机骨架用于肿瘤位点激活成像和药物递送

该课题组合成了一种具有超长余辉发光的发光金属有机骨架材料，实现了肿瘤位点激活的余辉成像和药物输送（图11）。该材料无需实时激发即可发出700 nm的近红外余辉，并可持续数小时甚至数天，发光时间远远超过传统的发光材料，克服了传统发光材料背景干扰严重，发光寿命短的缺点。在弱酸性条件下（肿瘤位点），该材料的余辉发光明显增强，显示出独特的肿瘤位点选择性发光成像。同时，该发光金属有机骨架材料具有丰富的有机无机作用位点和超高的比表面积，可以高效负载药物，并对酸性环境具有特异性响应，实现药物在肿瘤部位的选择性药物递送。该长余辉发光金属有机骨架提供了一种具有良好应用前景的低背景成像和药物递送载体。相关研究于近期发表于Biomaterials（Biomaterials, 2019, 217, 119332）。

图11. 长余辉发光金属有机骨架(PLNPs@ZIF-8)的合成并用于肿瘤位点激活成像和药物释放的示意图。

4. 用于先进癌症治疗的核酸功能纳米材料系统评述

该课题组结合自身的研究工作，从癌症治疗方法的角度出发，将近年来用于癌症治疗研究的核酸功能纳米材料按化疗、基因治疗和免疫治疗进行总结归类(图12)，分析它们在不同治疗方法中的功能和特点；剖析如何通过理性设计构建核酸功能纳米材料和精确调控功能；阐释核酸功能纳米材料如何实现药物负载与保护、靶向递送和响应释放等功能；最后，指出核酸功能纳米材料在临床应用转化中需要克服的问题和挑战。该综述发表于Small（Small, 2019, 15, 1900172）上。

图12. DNA功能材料在肿瘤化疗、基因治疗和免疫治疗方面的应用

以上为仰大勇教授课题组近期具有代表性的研究成果，了解更多详细信息请访问课题组主页。另外，课题组欢迎对研究方向感兴趣、有志于科研的学生联系报考硕士、博士研究生以及应聘博士后和预聘教师岗位，个人信息请发送至dayong.yang@tju.edu.cn。

仰大勇教授课题组导师团队

导师介绍

仰大勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/48490

课题组主页

https://www.yanglab-dna.com