Acc. Chem. Res.：功能DNA分子构筑具有选择性和刺激响应性纳米粒子用于生物医学应用

【研究背景】

纳米粒子（NPs）由于其固有的电子、光学、磁性、机械和生理特性，在改善疾病诊断和治疗方面具有巨大潜力。为了充分发挥纳米医学的潜力，纳米粒子必须具有生物相容性，并可以特异性靶向和识别特定的生物分子，以确保在复杂环境（如活细胞，组织，动物和人体）中进行选择性传感、成像和药物递送。功能DNA（fDNA）分子包括适配体、DNA酶和适配体酶，可通过体外选择或通过指数富集的配体系统进化获得（SELEX）。此外，fDNA在生物应用上具有许多优点，如体积小、免疫原性低、易于合成和化学修饰、以及易于表面固定。将fDNA整合到纳米粒子上可以赋予纳米粒子对多种靶标的特异性识别能力，包括小分子、生物大分子、甚至病毒或细胞。许多研究小组已经探索了构建fDNA工程化纳米粒子的新方法，并研究其在纳米医学诊断和治疗方面的应用。

【成果简介】

近期，国家纳米中心李乐乐研究员与美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校陆艺教授系统地总结了他们发展的将功能DNA整合到纳米材料的新方法和新策略及其在生物传感、靶向药物递送等方面的应用。通过将金纳米粒子、量子点、氧化铁纳米颗粒等无机纳米粒子以及脂质体、共聚物纳米颗粒等有机纳米粒子与功能DNA组装，他们设计了具有刺激响应性的fDNA-NPs组装体，不仅可作为基于比色、荧光和磁共振成像(MRI)的传感器，用于诊断各种分析物；也可以作为肿瘤微环境响应的靶向成像和药物递送平台。他们还展示了DNA介导的纳米粒子表面功能化和形貌控制合成，以及可作为特定生物探针的纳米粒子组装体。为实现对功能DNA识别特性高时空分辨率的精确控制，他们还构建了一系列具有光激活传感和成像功能的fDNA修饰的纳米探针，并实现了该类探针对目标物的特异性响应和精准检测。。最后，作者讨论了功能DNA工程化纳米材料在生物医学应用上面临的挑战和未来发展前景。这些成果近日以题为“Functional DNA Molecules Enable Selective and Stimuli-Responsive Nanoparticles for Biomedical Applications”发表在知名期刊Acc. Chem. Res.上。

【图文导读】

fDNA通常不具有能够直接产生可检测信号的官能团。为了将fDNA转化为传感探针，可以将fDNA与无机NPs结合起来，利用其独特的光学和磁学特性，构建新型传感器。

图1、（A）基于通过铀酰特异性DNA酶连接的AuNP的解组装的比色传感器。（B）基于适配体/AuNP的侧向流动装置：（a）腺苷诱导的适配体连接的AuNP的解组装;（b）在使用前（左条带）和负（中间条带）或正（右条带）测试中装载有组装的AuNP的侧向流动装置的示意图。（C）基于凝血酶诱导的适配体功能化SPIO组装的MRI造影剂的设计。

稀土离子掺杂的上转换纳米颗粒(UCNPs)由于具有将近红外(NIR)辐射上转换为短波长发光的特殊能力，已成为一类令人振奋的新型无机纳米荧光材料。特别的，上转换发光材料在生物成像上具有其独特的优势：如发光具有anti-Stokes位移，无背景荧光、近红外光组织穿透性强、抗光漂白以及多色标记等。为了将其用于生物成像，需要对UCNPs进行修饰，使其具有水溶性和生物相容性，但烦琐的修饰步骤通常导致低的连接效率和再现性。为了应对这一挑战，作者开发了简单的方法来制备用于生物传感和成像的DNA功能化UCNPs。进一步，作者通过利用DNA介导的纳米粒子自组装和纳米粒子形貌控制合成，构建了纳米影像探针。

图2、（A）通过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）通过一步配体交换策略合成DNA功能化UCNP和（b）用适配体-UCNP生物共轭体靶向癌细胞成像的示意图。（C）（a）DNA-Au/UCNP超结构的可控自组装和（b）具有不同处理的4T1细胞的共聚焦显微镜图像。（D）（a）DNA-AuNF的序列特异性合成的示意图和（b）用DNA-AuNF处理或未经处理的CHO细胞的暗场图像。

尽管已经筛选了对许多金属离子具有高灵敏度和特异性的DNAzyme，但大多数DNAzyme实现了检测环境样品中的金属离子（如水和土壤）， DNAzyme用于在活细胞中成像金属离子的应用直到最近才被报道。作者开发了一种光化学caging-decaging策略，以实现光激活的DNAzyme用于活细胞中的金属离子的成像，进一步，作者利用UCNPs发光特性将红外光转换为紫外光，分别实现了活体内金属离子和肿瘤微环境中ATP的选择性成像检测。

图3、（A）（a）用于成像活细胞中的铀酰离子的DNA酶-AuNP探针的设计和（b）具有不同处理的HeLa细胞的共聚焦显微镜图像。（B）（a）NIR激活的TSDP-AuNS探针的设计和（b）用TSDP-AuNS探针进行细胞内Zn²⁺成像。（C）（a）设计用于检测Zn²⁺的近红外控制的DNAzyme-UCNP探针；（b）通过近红外激活的DNAzyme−UCNP探针对Zn²⁺共聚焦显微镜图像。（D）（a）紫外光激活的适配体探针的设计和（b）用于活细胞ATP成像的近红外激活的DNA纳米探针。

尽管化疗有严重的副作用，但它仍然在癌症治疗中发挥着重要作用。通过多价纳米药物的靶向给药允许治疗药物在肿瘤中的选择性积累和摄取，从而可以减轻常规化疗的不良副作用。由于介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)具有良好的生物相容性，以及用于可控封装和释放成像/治疗药物的可调纳米孔，引起了研究者的广泛关注。通过将癌症特异性适体引入介孔二氧化硅纳米载体中，作者开发了一种通用的策略来构建靶向药物递送体系。

图4、（A）多价适配体功能化MSN用于靶向药物递送。（B）具有维生素响应性药物释放的适配体-MSN靶向给药系统。

虽然fDNA工程化的无机NPs作为生物传感，生物成像和靶向药物递送的新型试剂显示出了巨大潜力，但它们在人体中的长期作用仍然是未知的。在明确这些健康影响之前，有机NPs可以作为纳米医学应用的良好替代品。为实现这一目标，作者开发了一种酶响应脂质体材料，以实现灵敏和多样化的功能性DNA传感器。

图5、用于小分子靶标多模态检测的刺激响应型脂质体策略的工作原理。

对于涉及生物−纳米界面相互作用的基于fDNA的纳米医学应用，限制其开发过程的一个关键因素是难以精确控制载体内部和表面的化学性质。通过最近与Steve C. Zimmerman教授的团队合作，报道了一种自下而上的方法，使用顺序的分子内开环复分解聚合和闭环复分解(ROMP-RCM)过程来制备直径在约5 nm到50 nm之间的聚合物有机NPs。该类纳米颗粒含有一系列具有可控价的官能团，允许数目可控的结合其它官能团，包括PEG和DNA的大分子等。

图6.（A）以单链嵌段共聚物作为模板，自下而上合成单价DNA-NP偶联物。（B）结合适配体的脂质体包封药物/成像试剂。（C）适配体-脂质体的靶向能力可通过使用不同长度的Oligo-T序列作为间隔物来调控。

【总结展望】

在该综述中，作者讨论了为各种生物医学应用设计合成的功能性DNA-NPs的进展。作者总结了他们开发的几种策略，这些策略将fDNA的生物识别能力与无机和有机NP的独特光学、磁学和电学特性相结合，用于灵敏和快速检测分析物，生物成像和靶向药物输送。除此之外，作者还描述了新型功能性DNA设计以及DNA在极具挑战性的NP表面上的可控固定，所有这些对于满足现代纳米医学的高性能要求至关重要。

尽管最近取得了进展，仍然存在需要进一步研究和改进的挑战。首先，随着具有较大吸引力的光学、磁学和电学特性的NP的快速发展，各种fDNA−纳米粒子已经被设计和探索用于POC诊断。。然而，仍然缺少明确的临床转化方案。可能的原因抗体的成熟的商业基础设施及其对许多临床相关目标的有效性使得fDNA难以渗透到POC市场。

此外，大多数报道的用于活细胞中分子成像的生物传感器对其活性几乎没有空间和时间控制，因此可能在递送过程中打开信号。为了解决这个问题，已经开发出可光激活的纳米探针，用于在复杂的生物环境中检测和成像分析物，具有增强的时空精度。特别是，通过将功能DNA与上转换纳米技术耦合，实现了近红外光控的生物成像。然而，光激活的传感系统仍然局限于光可以容易穿透的生物，例如斑马鱼。目前需要开发其他时空控制策略，以便用于动物和人体成像。

尽管纳米医学在过去十年中受到了广泛关注，但其临床转化仍处于早期阶段，其进展受到许多阻碍。随着靶向药物释放研究向临床领域迈进，很少有主动靶向的纳米药物平台进入临床III期试验，并且没有任何靶向纳米药物获得临床批准。此外，几个关键问题延迟了基于适体的靶向给药的临床发展：如缺乏对抗体具有类似亲和力和选择性的临床相关靶标的适体，缺乏这些材料的大规模制造基础设施，缺少生物相容性和安全性数据等。一个潜在的方向是使用癌症靶向适体来改善FDA批准的纳米载体(如脂质体)的药代动力学特征和靶向性，并加强对fDNA−NPs的毒性评估研究。通过克服这些挑战，fDNA−NPs将在推动纳米医学的基础科学和临床应用方面发挥关键作用。

文献链接：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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