小分子共价DNA的组装及生物医学应用

马佳慧; 袁伟; 刘思敏; 赵智勇

doi:10.7536/PC210446

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (4) :837-845 DOI: 10.7536/PC210446

综述

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小分子共价DNA的组装及生物医学应用

马佳慧 ¹ ,
袁伟 ¹ ,
刘思敏 ¹ ,
赵智勇 ¹^,²^,^*

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Self-Assembly of Small Molecule Modified DNA and Their Application in Biomedicine

Jiahui Ma ¹ ,
Wei Yuan ¹ ,
Simin Liu ¹ ,
Zhiyong Zhao ¹^,²^,^*

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摘要

DNA,由于其精确的碱基互补配对、良好的生物相容性、稳定的物理化学性质,不仅可用于组装各种形状和尺寸的纳米结构,而且可以设计动态的纳米器件。为了进一步拓展DNA的应用,可通过化学修饰引入功能分子或基团,从而实现二者功能的集成。目前,DNA与高分子、树状分子、多肽和蛋白等共价有机杂化体的合成、组装及在药物运输和控释等领域的应用已研究得比较成熟,而结构和功能多样的小分子与DNA共价杂化体,由于疏水小分子体积小,其组装受到限制,近年来科研者通过结构衍生或增多芳香环等研究其组装行为及应用。本文主要综述了疏水小分子共价连接DNA后的组装行为及其在生物医药领域的潜在应用,并对这类杂化体纳米材料的研究前景进行了展望。

Abstract

Due to the addressability, programmability and excellent biocompatibility, DNA has been applied not merely in constructing static elegant nanostructures with different shapes and sizes, but also in designing dynamic nanodevices. Moreover, to further expand the application of DNA, functional groups or molecules can be conjugated with DNA through chemical modification. DNA could combine with hydrophobic organic molecules to be a new amphiphilic building block and then self-assemble into nanomaterials. So far, DNA has been covalent with polymers, dendrimers, peptides or proteins, and the assembly behavior and potential application of these hybrids have been widely investigated. Of particular note, recent state-of-the-art research has turned our attention to the amphiphilic DNA organic hybrids, including small molecule modified DNA (lipid-DNA, fluorescent molecule-DNA, etc.). This review focuses mainly on the development of their self-assembly behavior and their potential application in biomedicine. The potential challenges regarding the amphiphilic DNA organic hybrids are also briefly discussed, aiming to advance their practical applications in nanoscience and biomedicine.

Contents

1 Introduction

2 Self-assembly of small molecule modified DNA

2.1 Self-assembly of amphiphilic DNA-small molecule hybrid

2.2 Self-assembly of supramolecular DNA amphiphiles through host-guest interaction

3 Application of small molecule modified DNA assemblies in biomedicine

3.1 Drug release

3.2 Target delivery

3.3 Biosensor

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

DNA-小分子杂化体 / 共价连接 / 组装调控 / 生物医学应用

Key words

small molecule modified DNA / conjugate / assembly and control / biomedicine application

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马佳慧, 袁伟, 刘思敏, 赵智勇. 小分子共价DNA的组装及生物医学应用[J]. 化学进展, 2022, 34(4): 837-845 DOI:10.7536/PC210446

Jiahui Ma, Wei Yuan, Simin Liu, Zhiyong Zhao. Self-Assembly of Small Molecule Modified DNA and Their Application in Biomedicine[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(4): 837-845 DOI:10.7536/PC210446

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1 引言

脱氧核糖核酸(DNA),作为负责存储和传递遗传信息的重要生物大分子,近年来将其作为结构基元用以构筑DNA纳米结构和纳米器件也受到极大关注。自1982年Seeman^[1]教授提出“结构DNA纳米技术”以来,科学家们利用DNA精确的分子识别特性、序列可编程性和纳米级尺寸等特点,成功构筑一维、二维和三维DNA纳米结构^{[2⇓⇓⇓⇓⇓~8]}以及动态的纳米器件^[9⇓⇓~12],通过合理设计实现了多种响应性DNA水凝胶的制备和应用^[13,14],DNA复合纳米结构和DNA纳米技术也可应用于生物医学^[15,16]、仿生^[17]和纳米科学^[18]等领域。

随着DNA合成技术及化学修饰方法的发展,可以将结构多样、功能丰富的有机分子修饰到DNA链的任意位点。目前报道的与DNA共价连接的分子分为合成高分子、树状分子、生物大分子如多肽或蛋白质,小分子如荧光分子、脂类分子等。这些DNA杂化体,作为一类新的构筑基元,为构筑具有生物功能的纳米结构奠定了基础。DNA-有机分子杂化体不仅具有DNA的精确识别、序列可编程、纳米级尺寸等,也结合了有机分子的结构可设计、多样性、响应性等特点,这为两亲型DNA杂化体的组装带来优异性质。同时,这些DNA-有机分子杂化体通过DNA序列长短以及构象的设计、有机分子种类的选择,可组装成球形胶束、纳米纤维、囊泡、纳米带等多种组装体。组装体外围高密度的DNA序列,可有效增加组装体的靶向效果和功能负载,内核的疏水区可以负载药物分子或功能分子。这些组装体也可以作为模板用于有机化学反应的研究,或作为模板用于无机纳米粒子的定向排列等。因此DNA-有机分子组装体在药物输送、靶向递送及生物传感等领域有着重要的应用。目前,有关DNA-高分子嵌段共聚物^[19⇓~21]以及DNA-多肽/蛋白^[22,23]等的组装及应用已有相关综述报道,这些DNA结构基元已被广泛地应用到纳米材料的制备和药物运输、基因传递等生物医学领域。

疏水小分子,由于其分子尺寸小,共价修饰DNA后,其两亲性不足以支持进一步组装,因此小分子共价DNA的组装发展比较缓慢。近年来,科研工作者们通过官能团衍生适当增加疏水分子的拓扑结构或通过拓展芳香环增强π-π堆积作用等策略提升疏水比例,以实现DNA-有机小分子在水相中组装出形貌多样、功能优异的纳米结构。因此,本文主要综述了近期有机小分子共价DNA的组装研究的最新进展,以及DNA纳米组装体在生物医学领域的潜在应用,并对这些DNA纳米材料的前景进行了展望。

2 DNA-有机小分子杂化体的组装

DNA序列上进行化学修饰的方法主要包括两类:固相合成法和液相偶联法,目前已有综述进行详细概括^[24]。近几年报道了一系列新的策略:如,炔基-叠氮铜催化环加成反应^[25]、聚合酶链反应(PCR)技术^[26]、聚合物引发剂修饰DNA末端,进一步聚合^[27]、表面活性剂辅助反应^[28]以及DNA胶束模板法^[29]等,这些合成技术为DNA-有机分子杂化体的进一步组装奠定了基础。

合成的DNA-有机小分子不仅具有DNA的精确识别、序列可编程、纳米级尺寸和良好生物相容性等特性,还具有小分子的温敏性、光敏性、酸碱响应性、荧光性质或主客体识别特性等。这些特性将为其组装结构的应用带来新的应用。

考虑到亲疏水作用驱使DNA-有机小分子进行自组装,DNA-有机小分子的构筑分为两种策略进行:(1)疏水小分子直接与DNA共价连接,在亲疏水作用下,DNA-有机小分子杂化体进行自组装,这些疏水小分子包括脂质分子、荧光分子和其他π体系分子;(2)利用主客体化学构筑超两亲DNA-有机分子,进一步进行组装并调控,其中主体分子包括环糊精、葫芦[n]脲等。

2.1 DNA-有机小分子杂化体的自组装

2.1.1 DNA-脂质两亲体的组装

脂质分子的结构与细胞膜的疏水部分相似,因此DNA-脂质两亲分子相较其他疏水分子更易与细胞膜作用,可以高效地被细胞吸收。Gosse和Jullien等^[30]首先报道了修饰有荧光分子的DNA-脂质两亲体的合成,其中脂质分子由两条十六烷基碳链组成。实验结果证明了脂质分子对DNA双链杂交的熔点有所提升,说明稳定性增加。随后,Dentinger等^[31]报道了十四烷基链修饰DNA的合成与组装。实验表明,该两亲DNA分子在水相中可组装成囊泡,具有包裹疏水荧光分子orange OT,这证明十四烷基链处于囊泡内部形成疏水空腔;通过引入互补DNA序列,增大亲水比例导致囊泡解离并释放疏水分子。这说明其在药物运输与释放方面有着潜在的应用。

通过DNA的碱基精确识别,可以实现DNA-有机小分子的组装调控,拓展DNA纳米组装体的应用。2010年,Gianneschi课题组^[32]利用DNA的碱基精确识别特性实现了组装形貌的可逆调控。如图1a所示,DNA1(9碱基共价两条十八烷基链)组装成500 nm囊泡,通过引入聚乙二醇(PEG)修饰的部分互补DNA序列(DNA2),改变亲疏水比例,实现了囊泡向小尺寸球形胶束的转变。类似的,通过加入D2中的全互补配对序列D3,可实现可逆转变。

另一方面,利用DNA的构象多样性,不同构象中DNA的堆积紧密度不同,可能引起组装形貌的变化,从而实现形貌调控。孙亚伟团队^[33]报道了具有pH响应的DNA-C18的组装行为,其中疏水分子是十八烷基链,DNA是富含胞嘧啶序列。pH 4.5时,DNA序列可形成紧密的双分子i-motif结构,pH 9时呈柔性的单链结构。基于其构象变化,pH 4.5时形成50 nm的多层聚集体;pH 9时,先组装成球形胶束,接着聚集形成直径大于100 nm的大胶束聚集体。这些不同尺寸且具有pH响应性的纳米结构有望应用于可控给药系统的纳米材料。2017年,谭蔚泓课题组^[34]报道了通过调控富含鸟嘌呤G序列的构象实现DNA-脂质分子球形胶束在血清白蛋白存在下的稳定和解离。如图1b所示,DNA-脂质分子中,DNA序列中插入了鸟嘌呤序列。当形成分子间DNA四链体(G-quadruplex)时,可以组装成稳定的“被锁定”的球形胶束,不易被血清白蛋白分解;当紫外光照射时,DNA四链体解离形成G-C配对的双链DNA,此条件下的球形胶束容易被血清白蛋白解离,从而实现细胞的有效摄取。这些结果表明,通过DNA构象的变化可以实现组装体对药物分子的稳定包裹及细胞的高效摄取。

2.1.2 两亲型DNA-荧光分子杂化体的组装

除了脂质分子与DNA共价连接,荧光分子不仅具有自身特有的荧光性质,也能作为疏水分子与DNA共价连接,制备两亲型DNA-荧光分子杂化体。近年来,关于荧光分子共价DNA后的杂化体的组装也引起了科学家们的关注。这里主要讲述两亲DNA-荧光分子杂化体的组装行为,其中荧光分子包括苝酰亚胺和芘等。

苝酰亚胺(PDI)具有强的光稳定性、化学稳定性和高的荧光量子产率,是一类突出的荧光染料。2004年,Müllen和Rädler课题组^[35]利用DNA的固相合成技术,成功地在PDI的两端修饰了DNA序列(ssODN-PDI-ssODN),突破了PDI与DNA链共价连接的难关,并且证明了通过阳离子脂质体的加入,ssODN-PDI-ssODN能溶于有机溶剂。2009年,Lewis和Rybtchinski团队^[36]报道了双链DNA两端接有PDI的哑铃状结构,基于PDI分子之间的强疏水作用、π-π堆积作用等头尾相连构筑了一维超分子聚合物。2017年,该团队^[37]进一步系统研究了ssDNA-PDI在水相中的组装行为。他们研究了一系列不同序列长度和特定碱基成分对组装形貌的影响。研究表明,当序列含1~3个碱基时,PDI-ssDNA形成纳米纤维;当序列为TA4-5或GC4-5时,通过链之间的碱基配对作用和PDI的π-π堆积,分别组装成双层膜结构和大尺寸的网络结构。

2019年,刘思敏课题组^[38]报道了基于葫芦[10]脲(CB[10])与PDI的主客体识别调控DNA-PDI杂化体的组装行为(图2a)。其中DNA序列是含18个碱基的单链。D18-PDI在水相中组装为直径20 nm的球形胶束。基于CB[10]与PDI的主客体识别,随着主体分子CB[10]的加入,在主客相互作用以及π-π堆积的作用下,组装形貌由球形胶束转变为二维DNA纳米片。该体系通过主客体作用及竞争客体加入等可以实现二维纳米片与球形胶束之间的可逆调控,同时二维纳米片具有可寻址性,可通过DNA碱基配对实现金纳米颗粒的定向排列。这为DNA纳米结构在药物输送、可控释放等领域奠定了研究基础。

相较于苝酰亚胺,芘的分子尺寸更小,与DNA共价连接制备的两亲型DNA杂化体中,疏水比例小,在水相中能否组装成规整形貌?Häner课题组在DNA-芘共价杂化体的性质及组装方面作了一系列研究。Häner课题组^[39]报道了芘共价插入DNA序列中对DNA双链杂交以及紫外光谱性质的影响,并且发现DNA-芘杂化体具有更高的量子产率,可用作基于分子信标的诊断工具等。随后,Häner课题组^[40]成功合成了寡聚芘分子嵌合的DNA杂化体,即芘分子之间、芘分子与DNA序列之间通过磷酸二酯键连接。通过芘分子之间的疏水作用、π-π堆积作用构筑成DNA接枝的超分子聚合物,观察发现组装成长达数百纳米的螺旋带状结构(图2b),且可通过改变温度可逆调控组装形貌。这种方法为超分子聚合物在材料科学及诊断学的应用提供了新的思路。在此基础上,通过引入互补链实现了带状结构向网状结构的转变^[41],引入互补序列修饰的金纳米颗粒^[42],实现了金纳米粒子的负载,证明了此体系可用作纳米载体以及组装框架,拓展了组装体的应用。

2.1.3 DNA与其他小分子杂化体的组装

与DNA共价连接的小分子除了脂质和荧光分子之外,还包括其他具有优异性质的有机小分子。例如与荧光分子能够发生荧光共振能量转移(FRET)的有机小分子、具有光刺激响应性的偶氮苯分子以及其他具有更大刚性和疏水体系的分子。这些小分子与DNA组成的两亲杂化体在亲疏水等驱动力下也能形成具有多种形貌的组装体。

Varghese课题组^[43]利用固相“点击化学(click)”方法制备一系列DNA-OPE(低聚(对亚苯基亚乙炔基))两亲杂化体,该两亲杂化体在溶液中可组装成荧光强度增强的纳米或微米尺寸囊泡(图3a)。利用DNA的可寻址性,囊泡外围可负载金纳米颗粒,也可以与乙炔基苝修饰的互补链识别,形貌转变为柱状纤维,同时证明了DNA-OPE囊泡的疏水部分与乙炔基苝之间存在FRET效应,该研究为人工光捕获体系的构筑提供了新的策略。随后该课题组^[44]基于DNA的构象变化,构筑了pH响应的DNA纳米囊泡与三维DNA网状结构体系,为实现药物的可控释放奠定了基础。

利用分子构型的变化改变亲疏水比例也可能引起形貌的转变。2015年,Zauscher和Brittain课题组^[45]报道了两亲型DNA-偶氮苯杂化体的合成及其光刺激调控。在430 nm光照下,DNA-偶氮苯杂化体组装成球形胶束;经过365 nm光刺激后胶束解离。这是由于365 nm光照使偶氮苯由反式结构转变为顺式,顺式偶氮苯较反式偶氮苯分子尺寸变短,改变了亲疏水比例,而在该比例下,两亲体的驱动力不足以支持组装体的形成。

偶氮苯相较于其他π体系分子结构简单,那么具有刚性结构的大π体系与DNA结合,会有怎样的突破?Varghese课题组^[46]将6条十碳烷基链修饰的六苯并蔻(HBC)共价连接DNA,在两亲作用及π-π堆积作用的驱动下,可组装成有序的二维DNA纳米片,其高度仅为纳米级别,长宽可达数微米。该片状结构不仅具有晶体特征,还具有DNA的可寻址性,可负载高密度的金纳米颗粒,有望用于催化、传感、生物分子识别等领域。随后,该课题组^[47]制备了疏水分子六苯基苯共价连接DNA的两亲型杂化体(图3b)。六苯基苯具有螺旋桨状的空间结构,在组装过程中,由于ssDNA的手性传递至六苯基苯,使得最终组装的结构为左手螺旋的DNA纳米带。这为其在手性传感、对映选择性合成和光子材料等领域的应用开创了方向。

菲分子同偶氮苯分子类似,疏水体系小,为了弥补这一缺点,Häner课题组利用单元重复策略扩大疏水部分,增强疏水性。Häner课题组^[48]在DNA及互补链的3'端分别连接3个菲分子,通过DNA互补配对,组装成两端菲中间dsDNA的初级结构。当加入精胺溶液时,两端的菲结构可作为黏性末端将DNA双链连接起来,组装成50~200 nm直径的囊泡。研究发现,组装体中的菲具有光捕获性质,能将吸收的能量转移给受体,因此该组装体有望利用DNA的精确识别特性拓展其应用。

2.2 基于主客体作用的超两亲DNA结构的自组装

近年来,通过非共价键作用(主客体相互作用、氢键等)构筑的超两亲化合物及其组装也成为科研人员的研究热点^[49,50]。作为主体分子的环糊精(CD)和葫芦脲(CB[n])等具有无毒无害等性质,且不同的空腔大小,能够容纳不同大小的特异性客体分子,形成稳定包合物。因此,引入主客体作用构筑DNA超两亲化合物,为DNA纳米结构的制备提供了新的思路。

环糊精(CD)作为水溶性优异的主体分子一直备受欢迎,尤其是β-环糊精(β-CD),具有合适的空腔大小,能够与二茂铁、金刚烷等客体分子形成稳定的包合物。Chiba和Inouye团队^[51]利用β-CD修饰的ssDNA和金刚烷衍生物修饰的互补DNA链,通过β-CD与金刚烷衍生物的主客体作用以及DNA的碱基互补配对性质构筑了双链DNA的超分子聚合物。并且,基于主客体作用的双链DNA结构的熔点(T_m值)相较于直接的同等序列长度的双链DNA的熔点更高,说明主客体作用有助于增强双链DNA的稳定性。2017年,Varghese课题组^[52]通过将β-CD修饰的ssDNA作为亲水主体,分别将两条和三条十二烷基链修饰的金刚烷衍生物作为疏水客体,利用主客体识别构筑超两亲DNA化合物,并组装成囊泡(图4a)。由于囊泡表面有大量DNA链,通过碱基互补配对可以负载修饰互补链的金纳米颗粒。这是首次将主客体相互作用引入到DNA超两亲结构的构筑中,为DNA组装提供了新的组装基元模式。在此工作基础上,Varghese课题组^[53]进一步结合碱基互补配对性质和主客体作用,利用β-CD修饰的Y形DNA或十字形DNA与金刚烷修饰的八臂聚乙二醇识别,制备DNA纳米凝胶。该纳米凝胶具有良好的生物相容性、优异的细胞渗透能力,同时还具有载药性能以及DNA的寻址性能,为其在纳米医学中的应用提供了可能。

相较于环糊精,葫芦[n]脲家族的水溶性稍差,不易衍生,但与阳离子型的客体具有更高的结合能力。其中,葫芦[7]脲相较于其他的葫芦脲分子,具有良好的水溶性、更强的键合能力以及更好的客体选择性等优异的分子属性,而空腔较大的CB[8]、CB[10]可以特异性地识别一对客体分子,因此葫芦[n]脲的主客体作用在催化、材料科学等领域有着广泛的应用。

刘思敏课题组^[54]设计了两类不同拓扑结构(树状分子和三条十八碳链)修饰的客体分子(二茂铁和金刚烷胺),基于葫芦[7]脲(CB[7])与客体分子的主客体相互作用,与CB[7]修饰的DNA序列构筑了DNA-CB[7]超两亲化合物(D18-CB[7])。研究发现,两类具有不同拓扑结构的DNA超两亲分子均组装成尺寸均一的球形胶束(图4b),该纳米结构可以包裹疏水分子,外围通过DNA互补配对可以负载金纳米颗粒等纳米粒子和功能分子;并且该体系具有竞争客体响应性和氧化还原响应性(基于二茂铁的氧化还原性质),可实现形貌的可逆调控。这些结果为DNA纳米材料在药物负载、可控运输和释放提供了新的方向。

杨黄浩团队^[55]基于CB[8]可以识别一对客体分子(甲基紫精和芘),将芘修饰的DNA适配体和甲基紫精修饰的十八烷基碳链作为客体分子,在CB[8]的主客体相互作用下构筑超两亲DNA结构,并组装成囊泡。由于该体系具有pH响应,可通过适配体的特异性识别将药物分子运送至靶向位点释放。

3 DNA-有机小分子组装体在生物医学领域的潜在应用

DNA-有机小分子组装体不仅具有优异的生物相容性、低毒性、良好的细胞渗透性、纳米级尺寸等特点,还具有靶向性、高效负载率等性能,使得DNA-有机小分子组装体在药物释放、靶向运输以及生物传感等领域具有良好的应用。

谭蔚泓课题组^[56]设计合成了一系列芘修饰DNA序列并共价连接两条十八烷基链的两亲DNA杂化体。这些两亲DNA杂化体均可组装成单分散的球形胶束,且随着DNA链长的增加,胶束尺寸变大。该胶束组装体对细胞膜具有尺寸依赖性且可通过细胞内吞作用进入细胞。随后该课题组^[57]进一步研究发现Aptamer-二酰基脂质(Diacyllipids)两亲体可以组装成球形胶束(图5a)。ATP分子作为目标分子与适配体识别形态构象发生变化从而改变组装体的荧光强度,用于活细胞成像。这些研究为DNA组装体的生物医学应用提供了基础。

3.1 药物释放

这些小分子修饰DNA的组装体可以用其自身DNA或者疏水分子的性质实现药物的释放。2013年,BarthÉlÉmy课题组^[58]报道了含不同碱基类型的DNA链以及不同脂质分子对DNA-脂质分子组装体及其负载能力的影响,并通过双链互补配对作用实现药物分子的释放。³LON-A₁₅(三条烷基链的脂质与15个腺嘌呤寡核苷酸的共轭物)水溶性很差,其他两亲体单元均能自组装为8~20 nm的胶束,²LON-A₁₅在水中的溶解度要小于²LON-T₁₅,但²LON-A₁₅的组装体对紫杉醇的负载能力最强,通过链杂交方式可以快速将其释放。该组装体可应用于药物输送并且可通过刺激响应释放药物。随后,Zhang课题组^[59]将疏水药物分子喜树碱与DNA连接,实现了光响应的两亲DNA-药物分子(喜树碱)组装成的纳米结构的制备(图5b)。该体系具有强的细胞吸收能力和抗酶解能力。在365 nm光照下,连接DNA链的2-硝基苄基发生键断裂,释放出自由的喜树碱,实现局部光控的细胞毒性,有望为临床治疗提供可参考的治疗策略。

2016年,Tin和Lo课题组^[60]结合DNA-脂质两亲体自组装和DNA折纸术,构建了具有亲脂性的DNA纳米笼。通过输送药物引起了MCF-7细胞中更加显著的细胞毒性和更高的细胞死亡率。同年,Varghese课题组^[61]利用具有聚集诱导发光性质的亚苯基亚乙炔基分子(PE)构筑了DNA-PE两亲化合物,并进一步组装成发光囊泡(图5c)。该组装体对亲水分子和疏水分子均具有优异的包封能力和良好的穿透HeLa细胞的能力。通过构建稳定的组装体负载功能分子运送至细胞,大大提升了药物的转运效率。

将偶氮苯的构象变化这一特点与上转换纳米粒子相结合无疑打开了新世界的大门。2019年,鞠熀先和刘颖团队^[62]利用偶氮苯分子修饰的DNA链,设计了一种以上转换纳米材料发光供能的偶氮苯-DNA纳米泵,大幅提高了光控药物释放效率。在980 nm激光的照射下,上转换纳米粒子(UCNPs)同时发射出紫外光和可见光,促使偶氮苯分子发生连续的光异构化,驱动DNA链的杂交和去杂交,连续光异构化的偶氮苯促使负载在DNA双螺旋中的药物释放,从而实现了红外光激活的药物高效释放。

3.2 靶向递送

DNA-有机小分子组装体实现药物包封和细胞内递送,但实现纳米组装体的靶向递送仍是科研人员面临的巨大挑战。Ahn课题组^[63]报道了利用多肽的靶向性结合DNA-有机小分子组装体实现DNA纳米粒子的靶向递送。该课题组利用胆固醇修饰的DNA链与多肽(tLyp-1)修饰的互补链,通过Watson-Crick碱基识别形成组装基元,组装成类似脂质体的纳米颗粒。纳米颗粒外围的tLyp-1多肽能够穿透细胞并可以靶向结合乳腺癌细胞表面受体,双链DNA能够负载阿霉素,从而实现了抗癌药物的靶向运输。

谭蔚泓课题组^[64]也报道了具有靶向作用的DNA链与双氟癸基(PF)共价连接的两亲化合物,DNA-PF可在水溶液中组装成稳定的胶束。此外,基于疏水相互作用,PF-DNA胶束(PFDM)能够有效地锚定在细胞膜表面,随后PFDM以溶酶体逃逸(Lysosome-escape)的途径进入细胞。这种PFDM有望应用于生物成像及生物医药等领域。

3.3 生物传感

2018年,柴雅琴课题组^[65]报道了一种可以精确控制探针密度和方向且利用偶氮苯构象变化构筑的三维DNA纳米机器,可用于miRNA-21的快速单步传感。与传统纳米机器相比,其对乳腺癌细胞标志物miRNA-21具有高灵敏的检测能力:检测限可达6.6 fM。该纳米机器还具有优异的选择性、稳定性、再现性及可逆性。这种分子机器展现了新一代DNA纳米机器在生物领域的巨大应用前景。

利用芘分子具有荧光特性及分子堆叠形成激基缔合物这一特性,2020年,田雷蕾教授课题组^[66]基于DNA纳米技术设计了一种包含芘分子的自递送Y型DNA纳米探针,实现了对活细胞中microRNA分子的高特异性和高灵敏度成像。

虽然DNA-有机小分子组装体在药物释放、靶向递送、生物传感等领域取得了良好的效果,具有优异的应用前景,但也存在一定的挑战。首先,目前关于有机小分子的种类报道还较少,能否拓展分子种类,尤其是疏水药物分子,通过响应性共价键或动态键直接与DNA连接,达到靶向部位后直接释放,这样就避免了药物的负载率低等问题。其次,与纯DNA纳米组装体的药物运输等应用^[67,68]类似,目前关于DNA-有机小分子组装体在体内稳定性较差,易被血清中的酶分解,也易被肾脏等器官排出体外,因此如何提高其稳定性也是亟需解决的问题。最后,DNA具有生物相容性和生物可降解性,而杂化体中的非药物疏水分子是否对生物体有毒性以及毒性大小目前尚且没有明确的定论,需要经过后期研究才得以清楚。这些方面不仅是DNA-有机小分子体系的应用如今面临的挑战,也是科研工作者继续努力的方向。

4 总结与展望

本文综述了DNA-有机小分子杂化体在水相中的组装行为,并探讨了其在生物医学领域的潜在应用。通过合理设计DNA片段长短和碱基排列,以及有机小分子的拓扑结构,利用共价连接或者主客体相互作用构筑两亲或超两亲DNA-有机小分子杂化体,通过疏水作用、π-π堆积等作用形成不同组装形貌的纳米结构,如胶束、囊泡、纳米片和纳米带等。通过外界刺激或DNA构象变化,可实现纳米结构的可逆调控。目前基于这些两亲杂化体的纳米结构主要应用于药物包裹与运输、可控释放、细胞成像以及生物检测等方向。

基于两亲型DNA基元构筑的纳米组装体虽然具有良好的生物相容性、细胞渗透性以及较小的细胞毒性,但其在细胞和血清以及生物体的其他环境中的稳定性较差,易被血清中的酶分解并且也易被肾脏等器官排出体外。同时,大部分组装体不具有靶向功能或者靶向性效果不佳,使其治疗效果大大降低。因此构筑结构稳定、靶向能力强并且具有优异的细胞选择性的DNA组装体仍然是我们面临的重要挑战,也是未来发展的重要目标。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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