DNA納米機器是基于DNA自組裝的納米結構。通過嵌入多種類型的功能核酸單元，DNA納米機器可以響應惡性良性腫瘤細胞中内源性刺激物（例如谷胱甘肽，microRNA等）引起的結構變化，以進行惡性良性腫瘤細胞成像或治療。然而，實體瘤的微觀内向是複雜的，并且惡性良性腫瘤細胞周圍有大量的健康細胞（例如成纖維細胞，免疫細胞等）具有重要功能。傳統的DNA納米機器在進入靶向惡性良性腫瘤細胞之前，由于實體瘤微環境中内源性刺激物的作用，經常被錯誤地激活，對周圍的健康細胞造成毒副作用損害。是以，開發在細胞水準上特異性激活的納米機器對于惡性良性腫瘤的精确治療具有重要意義。
細胞膜是将細胞與外部環境隔離的天然屏障，通過核酸拟合和膜蛋白結合，可以使DNA納米機器在細胞膜表面的邏輯操作産生輸出信号。在之前的研究中，生命分析化學國家重點實驗室的朱啟賢和劉穎教授報道了基于細胞膜上雙受體的核酸拟合和結合的"雙鎖智能鑰匙"DNA邏輯門模型，并實作了細胞亞型特異性區分（國家通訊2016，7，13580）。然而，在細胞膜表面完成"邏輯門"操作需要細胞膜上DNA鍊的遷移。這個過程依賴于DNA鍊的"脫落和重組"，效率有限，容易出現假陽性結果。為了解決這個問題，該團隊設計了一種納米機器，用于跨細胞膜的DNA邏輯門操作（圖1a），其兩步DNA操作在細胞膜和細胞内進行，可以避免DNA納米技術在實體瘤微環境中的非特異性活化，并實作生物體中實體瘤的精确光動力治療。DNA納米機器由上置納米顆粒核心（UCNPs），DNA組裝器L012和H012組成（圖1b）。含有sgc8拟合的THEDNA鍊LA-apt與癌細胞膜上過表達的PTK-7蛋白結合，形成信号輸入1;與DNA納米複合器的L012部分一起，這兩個信号輸入形成"AND"邏輯門。
圖 1.（a）DNA跨膜邏輯閘機操作和（b）DNA納米機結構圖。（c） L2通過LA-apt與PTK-7蛋白結合形成信号輸入1和miRNA-21，用于信号輸入2的跨膜操作而釋放。（d） L2引發循環反應以恢複光敏活性。
DNA納米機器的跨膜邏輯操作過程如下：LA-apt和L012在細胞膜表面雜交，替換L1鍊後暴露的miRNA-21的結合位點，誘導納米顆粒進入細胞質;然後打開H2卡，為下一個周期重新釋放L2鍊條。該過程不斷恢複光敏劑的活性，産生由UCRPs的綠色發光光刺激的活性氧，使惡性良性腫瘤細胞的光動力治療成為可能（圖1d）。
在DNA納米機器上修飾ROS名額DHR123可驗證細胞内的精确光動力療法。在将LA-apt錨定在細胞表面後，由UCNPs-DNARB / BHQ孵育的MCF-7細胞在近紅外光中産生顯着的ROS（圖2a），而對照組不能用ROS産生（圖2b）。與miRNA-21陰性MCF-7細胞孵育後，未密封的對照材料URNPs-DNA'RB / BHQ和miRNA-21在細胞中顯示出顯着的ROS熒光;是以，封閉的miRNA鑒定位點確定光動力治療僅在惡性良性腫瘤細胞内發生，避免對正常細胞組織的損害，進而實作對癌細胞的準确和有效的光動力治療（圖2e）。
圖 2.（a）處理MCF-7細胞後，THE-apt和（b）LA'-apt錨定URNPs-DNARB / BHQ的共聚焦成像。（c） 用UCPP-DNARB/BHQ或UCPP-DNA'RB/BHQ處理後LA-apt錨定miRNA-21陰性MCF-7細胞的共焦點成像。（d）MCF-7對照細胞和MCF-7細胞的細胞存活率不同。（e）MCF-7對照細胞，在UCPP-DNARB / BHQ（LA-apt-A），UCNPs-nrDNARB / BHQ（LA-apt-B）或UCPPs-DNA（LA處理後，LA-apt錨定MCF-7細胞，UCNPs-DNARB / BHQ處理（LA'-apt-A）後錨定細胞增殖速率。
光動力療法對DNA納米機器的影響也在動物水準上得到了驗證（圖3）。通過分别在UCPP表面和L0鍊末端标記Cy3和Cy5，得到雙色納米機UCPPSCy3-DNABHQ-Cy5，并在H1末端修飾的BHQ發出湮滅Cy3熒光。DNA納米機器的激活通過Cy5熒光回收顯示，通過Cy5在活體中DNA納米機器的遞送示蹤劑。小鼠熒光成像表明，雖然納米材料部分進入肝髒，但隻有惡性良性腫瘤具有明顯的Cy3熒光，證明DNA納米機器的跨膜操作僅在惡性良性腫瘤細胞中被激活，不會對正常器官組織造成損害。
圖 3.（a）注射LA-apt或LA'-apt的小鼠的活熒光成像和（b）器官和惡性良性腫瘤組織成像，然後是UCNPsCy3-DNABHQ-Cy5或UCPNPsCy3-DNA'BHQ-Cy5小鼠。
上述結果于9月2日在《美國化學學會雜志》（DOI：10.1021/ jacs.1c06361）上線上釋出。博士生張偉偉和陳偉偉是這項工作的合著者，朱玉賢教授和劉穎教授是合著者。
近年來，研究團隊圍繞上變頻納米技術在高效、準确診斷和治療癌症方面的研發和性能，取得了一系列創新成果。發光增強的"能量集中域"結構旨在轉換納米材料（Angew.Chem. Int. Ed. 2019， 58， 12117-12122），開發了一種中繼能量轉移模式，以提高能量轉移效率（CCS Chem. 2021， 3， 1510-1521），能夠控制釋放用于化療藥物的上轉換發光驅動DNA偶氮苯納米泵（Angew.Chem. Int. Ed. 2019， 58， 18207-18211）和近紅外光響應microRNA放大器用于早期癌症精确光動力治療（Angew.化學 Int. Ed. 2020， 59， 21454-21459），提出近紅外光控撕裂對納米膠囊siRNA的轉化遞送和基因治療政策（Biomaterials 2018， 163， 55-66），通過近紅外光瞬間點燃對納米炸彈的轉化，實作藥物的快速釋放和癌症的有效治療（J. Control.版本2021，336，469-479）。
這些系列工作分别由國家自然科學基金（21890741）、重點項目（21635005）、人臉項目（21974064）、優秀青年基金（22022405）、青年基金（22004062）、江蘇省自然科學基金優秀青年基金（BK20200010）、雙創人才基金、生命分析化學國家重點實驗室等機關資助。
來源：南京大學