南京大学鞠熀先教授课题组JACS:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

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人物与科研 2021-09-26 08:00 353人阅读


导语

DNA纳米机器基于DNA组装成的纳米结构通过嵌入功能核酸单元DNA纳米机器可以响应肿瘤细胞内源性刺激物而引发结构变化,实现肿瘤细胞成像或治疗。近日,南京大学鞠熀先教授课题组设计了一种跨细胞膜进行DNA逻辑门运算的纳米机器,在细胞膜表面与细胞质内分别完成其两步DNA运算,避免了DNA纳米机器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相关成果在线发表于J. Am. Chem. Soc.DOI: 10.1021/jacs.1c06361)。


鞠熀先教授课题组简介

南京大学鞠熀先教授课题组JACS:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

熀先教授课题组于2000年成立,研究方向为生命分析化学与分子诊断,主要从事生物传感与生物分析(包括分子识别及其界面构建、生物传感信号放大、电化学与光学传感、生物成像和细胞与活体分析)、聚糖原位检测和重构(包括细胞表面聚糖的原位检测、细胞内糖基化和去糖基化过程的原位监测、细胞聚糖的重构和功能调控)与肿瘤诊断治疗新方法(包括可激活型靶向治疗、近红外二区活体成像、癌症诊疗一体化系统)研究


鞠熀先教授简介

南京大学鞠熀先教授课题组JACS:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

鞠熀先,南京大学教授,生命分析化学国家重点实验室主任,国际电化学会会士,英国皇家化学会会士。198619891992年分别获南京大学理学学士、硕士与博士学位师从陈洪渊院士与高鸿院士。1993年任南京大学副教授,1996-1997年为加拿大Montreal大学博士后,1999年任教授,2003年获国家杰出青年科学基金,2007新世纪百千万人才工程国家级人选,2009年为“973”计划项目首席科学家,2005-2014年为国家自然科学基金创新研究群体的负责人。已在JACSAngew. Chem. Int. Ed.Nature Commun.Adv. Mater.Adv. Funct. Mater.ACS NanoChem. Sci.Anal. Chem.刊物发表论文765(SCI刊物709篇,IF>5刊物501),ElsevierSpringerRSCWorld Scientific Co出版英文专著6部,出版中文专著5部,专章202021教师节,论文被他引34800多次,h-index98(Google Scholar h-index107,引用41000多次。获中国化学会青年化学奖1996、梁树权分析化学基础研究奖、江苏省青年科学家奖称号,教育部自然科学一等奖3项,江苏省科学技术等奖3二等奖3项等2019年获中国化学传感器首届雷磁杰出成就奖


前沿科研成果:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

实体肿瘤的微环境复杂,肿瘤细胞周边存在大量重要功能的健康细胞(如成纤维细胞、免疫细胞等)。传统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纳米机器,对于肿瘤的精准治疗具有重要意义。


通过核酸适配体与细胞膜上膜蛋白的结合,可使DNA纳米机器细胞膜表面进行逻辑运算而产生输出信号。在前期研究中,生命分析化学国家重点实验室(南京大学)鞠熀先教授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. 2016, 7, 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,鞠熀先与刘颖教授设计了一种跨细胞膜进行DNA逻辑门运算纳米机器(图1a),其两步DNA运算分别在细胞膜上与细胞完成,可避免DNA纳米探针实体瘤微环境中的特异性激活,实现了活体内实体肿瘤精准光动力治疗。该DNA纳米机器由上转换纳米粒子内核(UCNPs)、DNA组装体L012H012组成(图1b)。含sgc8适配体的DNALA-apt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miRNA-21作为信号输入端2。这两个信号输入端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-aptL012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打开UCNPs表面修饰H1发卡,并随后打开H2发卡重新释放L2进行下一循环这一过程可不断恢复光敏剂的活性UCNPs绿色发射光激发下产生活性氧,实现肿瘤细胞的光动力治疗(图1d)


南京大学鞠熀先教授课题组JACS:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

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。

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.


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ROS产生(图2a),而其对照物则不能产生ROS(图2bmiRNA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,从而实现癌细胞精准高效光动力治疗(图2e)。


南京大学鞠熀先教授课题组JACS:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

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。

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.


DNA纳米机器进行光动力治疗的效果在动物水平上也得到验证(图3。通过UCNP表面L0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BHQ使Cy3荧光猝灭。通过Cy5DNA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损伤

南京大学鞠熀先教授课题组JACS:DNA跨膜逻辑运算用于肿瘤的精准光动力治疗

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。

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.


研究工作由博士生张玥陈伟伟副研究员共同完成,鞠熀先教授和刘颖教授为共同通讯作者。


近三年来,该课题组在“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”方面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. 2019, 58, 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. 2021, 3, 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. 2019, 58, 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. 2020, 59, 21454-21459),提出近红外光控上转换纳米颗粒的siRNA递运及基因与光动力治疗策略Biomaterials 2018, 163, 55-662019, 225, 1195012021, 275, 120962; ACS Applied Mater. Interf. 2020, 12, 19313-193232021, 13, 14951–149632021, 13, 31452–31461; Chem. Sci. 11, 2020, 6289-6296,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. Release 2021, 336, 469-479)。这些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)和江苏省自然科学基金杰出青年基金(BK20200010与双创人才基金的资助。




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