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南京大学生命分析化学国家重点实验室JACS:基于DNA跨膜逻辑运算的精准治疗

DNA纳米机器是基于DNA自组装形成的纳米结构。通过嵌入多种类型的功能核酸单元,DNA纳米机器可以响应肿瘤细胞内源性刺激物(如谷胱甘肽、microRNA等)而引发结构变化,实现肿瘤细胞成像或治疗。然而,实体肿瘤的微环境复杂,肿瘤细胞周边存在大量有重要功能的健康细胞(如成纤维细胞、免疫细胞等)。传统的DNA纳米机器往往会因实体瘤微环境中内源性刺激物的影响,在其进入靶向肿瘤细胞前被误启动,对周围健康细胞造成毒副作用损伤。因此,开发一种在细胞水平上特异性激活的纳米机器,对于肿瘤的精准治疗具有重要意义。


细胞膜是隔离细胞与外部环境的天然屏障,通过核酸适配体与膜蛋白结合,可以使DNA纳米机器在细胞膜表面进行逻辑运算而产生输出信号。在前期研究中,南京大学生命分析化学国家重点实验室鞠熀先点击查看介绍)与刘颖教授(点击查看介绍)报道了基于核酸适配体和细胞膜上双受体结合的“双锁-智能钥匙”DNA逻辑门模型,并在肿瘤细胞识别与肿瘤治疗中实现了细胞亚型特异性的区分(Nat. Commun.20167, 13580)。然而,在细胞膜表面完成“逻辑门”运算需要依赖DNA链在细胞膜上的迁移。这一过程依靠DNA链的“脱落与再结合”,效率受限,且易产生假阳性结果。为解决这一问题,该研究团队设计了一种跨细胞膜进行DNA逻辑门运算的纳米机器(图1a),其两步DNA运算分别在细胞膜上与细胞质内完成,有效避免了DNA纳米探针在实体瘤微环境中的非特异性激活,实现了活体内实体肿瘤的精准光动力治疗。该DNA纳米机器由上转换纳米粒子内核(UCNPs)、DNA组装体L012和H012组成(图1b)。含sgc8适配体的DNA链LA-apt与癌细胞膜上过表达的PTK-7蛋白结合,构成信号输入端1;癌细胞内高表达的miRNA-21作为信号输入端2。这两个信号输入端与DNA纳米机器上的L012部分共同形成“AND”逻辑门。DNA纳米机器进行跨膜逻辑运算的过程如下:LA-apt与L012在细胞膜表面杂交,取代L1链后暴露miRNA-21的结合位点,并诱导纳米粒子进入细胞质;细胞质中的miRNA-21与纳米粒子上的L012发生链取代反应,输出信号(即释放的L2链)(图1c);释放出的L2链打开UCNPs表面修饰的H1发卡,并随后打开H2发卡重新释放L2链进行下一循环。这一过程可不断恢复光敏剂的活性,在UCNPs的绿色发射光的激发下产生活性氧,实现肿瘤细胞的光动力治疗(图1d)。

图1. (a) DNA跨膜逻辑门运算与(b) DNA纳米机器结构示意图。(c)以LA-apt与PTK-7蛋白结合构成信号输入端1、miRNA-21为信号输入端2进行跨膜运算而释放L2。(d) L2启动循环反应恢复光敏剂活性。


将ROS指示剂DHR123修饰在DNA纳米机器上可验证细胞内精准光动力治疗。在细胞表面锚定LA-apt后,UCNPs-DNARB/BHQ孵育的MCF-7细胞在近红外光照下有明显的ROS产生(图2a),而其对照物则不能被产生ROS(图2b)。miRNA识别位点未被封闭的对照材料UCNPs-DNA'RB/BHQ与miRNA-21孵育后,在miRNA-21阴性的MCF-7细胞中显示明显的ROS荧光;而UCNPs-DNARB/BHQ此细胞中并没有ROS产生(图2c)。因此,封闭miRNA识别位点可保证光动力治疗仅在肿瘤细胞内发生,避免对正常细胞组织的损伤,从而实现癌细胞的精准高效光动力治疗(图2e)。

图2. (a) LA-apt和(b) LA'-apt锚定的UCNPs-DNARB/BHQ处理MCF-7细胞后的共聚焦成像。(c) LA-apt锚定miRNA-21阴性的MCF-7细胞在UCNPs-DNARB/BHQ或UCNPs-DNA'RB/BHQ处理后的共聚焦成像。(d) MCF-7对照细胞与分别不同方式处理后的MCF-7细胞的细胞存活率。(e) MCF-7对照细胞、在UCNPs-DNARB/BHQ (LA-apt+A)、UCNPs-nrDNARB/BHQ (LA-apt+B)或UCNPs-DNA (LA-apt+C)处理后的LA-apt锚定MCF-7细胞、UCNPs-DNARB/BHQ处理后(LA'-apt+A)的LA'-apt锚定细胞的细胞增殖率。


DNA纳米机器进行光动力治疗的效果在动物层面也得到验证(图3)。通过在UCNP表面与L0链末端分别标记Cy3以及Cy5,得到双色纳米机器UCNPsCy3-DNABHQ-Cy5,同时发卡H1末端修饰的BHQ使Cy3荧光的猝灭。通过Cy5对DNA纳米机器在活体内的递运示踪,通过Cy3的荧光恢复显示DNA纳米机器的激活。从小鼠荧光成像可看出,尽管纳米材料会部分进入肝脏,只有肿瘤处有明显的Cy3荧光,证明该DNA纳米机器的跨膜运算仅在肿瘤细胞中激活,而不会对正常器官组织造成损伤。

图3. 注射LA-apt或LA'-apt、随后UCNPsCy3-DNABHQ-Cy5或UCNPsCy3-DNA'BHQ-Cy5小鼠的(a)活体荧光成像与(b)器官和肿瘤组织成像。


上述相关成果于近日在Journal of the American Chemical Society 发表。张玥博士和陈伟伟副研究员为该工作的共同第一作者,鞠熀先教授和刘颖教授为共同通讯作者。


该研究团队近年来围绕“癌症高效精准诊疗中的上转换纳米探针的研制及其性能研究”取得一系性创新成果。设计了发光增强的“能量集中域”结构上转换纳米材料(Angew. Chem. Int. Ed., 201958, 12117-12122),开发了中继式能量传递模式提高了能量转移效率(CCS Chem.20213, 1510-1521),实现了上转换发光驱动的DNA偶氮苯纳米泵用于化疗药物的可控释放(Angew. Chem. Int. Ed., 201958, 18207-18211)和近红外光响应microRNA放大器的早期癌症精准光动力治疗(Angew. Chem. Int. Ed.202059, 21454-21459),提出近红外光控撕裂上转换纳米胶囊的siRNA递运和基因治疗策略(Biomaterials2018163, 55-66),通过近红外光瞬间点燃上转换纳米炸弹,实现了快速药物释放和癌症高效治疗(J. Control. Release2021336, 469-479)。


这些系列工作得到国家自然科学基金重大项目课题(21890741)、重点项目(21635005)、面上项目(21974064)、优秀青年基金(22022405)、青年基金(22004062),江苏省自然科学基金杰出青年基金(BK20200010)与双创人才基金,和生命分析化学国家重点实验室的支持。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Activating a DNA Nanomachine via Computation across Cancer Cell Membranes for Precise Therapy of Solid Tumors

Yue Zhang, Weiwei Chen, Yanyun Fang, Xiaobo Zhang, Ying Liu*, and Huangxian Ju*

J. Am. Chem. Soc., 2021143, 15233–15242, DOI: 10.1021/jacs.1c06361


导师介绍

鞠熀先

https://www.x-mol.com/university/faculty/11571 

刘颖

https://www.x-mol.com/university/faculty/22031 


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