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基于细胞捕获和释放的刺激响应型多功能核酸水凝胶

王丹钰 ,  郭梦珂 ,  郭子涵 ,  黄梦雨 ,  易桦 ,  张开翔

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (10) :1567-1580

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化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (10) :1567-1580 DOI: 10.7536/PC240216
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基于细胞捕获和释放的刺激响应型多功能核酸水凝胶

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Stimulus-Responsive Multifunctional Nucleic Acid Hydrogels Based on Cell Capture and Release

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摘要

核酸水凝胶具有良好的亲水性、可调节性和生物相容性，在过去几年里引起了广泛的关注，特别是在医疗领域和智能材料领域展现了良好的应用前景。核酸水凝胶具有刺激响应型，例如pH、光、温度、化学触发等外部刺激均可以引起它的物理化学变化，实现对环境的感知和响应型形变，进行时空可控的精准细胞治疗。基于刺激响应型核酸水凝胶的细胞捕获与释放可用于控制和调节细胞的行为，在生物医学研究和应用中发挥重要作用。基于此，本文总结了纯核酸水凝胶以及聚合物-核酸杂化水凝胶的制备方法，探讨了不同刺激响应型核酸水凝胶的应用策略，并重点综述了其基于细胞捕获和释放在细胞成像、药物递送和细胞治疗等方面的研究。最后讨论了核酸水凝胶研究亟须解决的问题，并对核酸水凝胶的未来发展进行了展望。

Abstract

Nucleic acid hydrogels have good hydrophilicity, adjustability and biocompatibility, which have attracted considerable attention in the past few years, especially in the field of biomedicine and smart materials. Nucleic acid hydrogel is stimulus-responsive, meaning that external stimuli such as pH changes, light, temperature variations, and chemical triggers (including metal ion response, redox response, and enzyme response) can induce physical and chemical changes within them. Consequently, they are capable of perceiving their environment and undergoing responsive deformation, enabling precise cell therapy that can be controlled both temporally and spatially. Cell capture and release using stimulus-responsive nucleic acid hydrogels can control and modulate cellular behavior, and can also play an important role in biomedical research and applications, such as targeted drug therapies using the capture and release of specific cell types. Based on this, this paper summarizes the preparation methods of pure nucleic acid hydrogels and polymer-nucleic acid hybrid hydrogels, further discusses the application strategies of different stimuli-responsive nucleic acid hydrogels, and focuses on the research progress of cell capture and release in cell imaging, cell therapy and synergistic drug delivery. Finally, we discuss the urgent problems that need to be addressed in the research of nucleic acid hydrogels, and provide a prospect for their future development.

Contents

1 Introduction

2 Preparation of nucleic acid hydrogels

2.1 Pure nucleic acid hydrogel

2.2 Polymer-nucleic acid hybrid hydrogel

3 Stimulus-responsive nucleic acid hydrogels

3.1 pH response

3.2 Light response

3.3 Temperature response

3.4 Chemical trigger

4 Stimulus-responsive nucleic acid hydrogels used for cell capture and release

4.1 Cell imaging

4.2 Cell therapy

4.3 Collaborative drug delivery

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

核酸水凝胶 / 刺激响应型 / 细胞捕获 / 细胞释放 / 生物医学

Key words

nucleic acid hydrogels / stimulus-responsive / cell capture / cell release / biomedicine

引用本文

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王丹钰, 郭梦珂, 郭子涵, 黄梦雨, 易桦, 张开翔. 基于细胞捕获和释放的刺激响应型多功能核酸水凝胶[J]. 化学进展, 2024, 36(10): 1567-1580 DOI:10.7536/PC240216
Danyu Wang, Mengke Guo, Zihan Guo, Mengyu Huang, Hua Yi, Kaixiang Zhang. Stimulus-Responsive Multifunctional Nucleic Acid Hydrogels Based on Cell Capture and Release[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(10): 1567-1580 DOI:10.7536/PC240216

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1 引言

基于核酸的可编程性、功能多样性和生物相容性，核酸水凝胶的合成及其在生物医学中的应用潜力，吸引了许多研究人员的关注。核酸水凝胶是一种由核酸参与形成的三维网状聚合物材料，因为其保留了核酸原有的生物性能与自身骨架的机械性能，使其成为近年来最受关注的新兴功能高分子材料之一[1]。核酸水凝胶可分为DNA水凝胶和RNA水凝胶两类[2]。其中，RNA水凝胶的稳定性较差，制备过程较复杂，以致阻碍了现阶段它的广泛应用。而作为生物体重要的遗传信息载体，DNA不仅具有结构多样性和生物相容性，且稳定性相对较高。近年来，随着纳米技术和生物技术的快速发展，DNA被认为是构建从纳米尺度到本体尺度的人工结构中最有前途的材料之一。根据核酸水凝胶的组成不同，将其分成两类：纯核酸水凝胶和聚合物－核酸杂化水凝胶[3,4]。此外，核酸水凝胶具有良好的亲水性，在水中具有可逆的溶胀或消胀能力，即可以在凝胶和溶液状态之间相互转变。另一方面，核酸水凝胶能够实现可控的刺激响应，可以在外界物理或化学刺激下发生体积和形状的改变[5]。

基于核酸水凝胶的高生物相容性和刺激响应形变特性，越来越多的研究将其应用于细胞的捕获和释放[6]。一方面，核酸水凝胶的制备方法较温和，对细胞无明显损伤，有助于保护细胞的生理功能和结构的完整性。另一方面，通过调整水凝胶的成分、结构与细胞的负载方式，可以满足不同应用的要求。更重要的是，核酸水凝胶具有高特异性和高灵敏度的识别能力，使得其在应用方面具有精确的目标识别和定位能力，可将生物分子或细胞表面的信号转化为可以被检测到的信号（如荧光）。而且，核酸水凝胶还可以作为药物载体，以复合物的形式靶向特定的组织或细胞，从而实现药物的精准递送与释放。核酸水凝胶还可以捕获一些免疫细胞或干细胞，在细胞层面达到治疗的目的。以上这些优势使得核酸水凝胶在生物传感与成像、药物递送和细胞治疗方面应用广泛。

基于此，本文综述了刺激响应型核酸水凝胶基于细胞捕获和释放应用的研究进展。首先总结了纯核酸水凝胶和聚合物-核酸杂化水凝胶的制备方法，并综述了核酸水凝胶在不同外界刺激（如pH、光、温度、化学触发等）下所发生的形态变化，为功能性核酸水凝胶的设计提供了更多理论依据。然后，本文重点总结了刺激响应型核酸水凝胶基于细胞捕获和释放方面的应用，包括生物传感与细胞成像、药物递送以及细胞治疗，为核酸水凝胶在生物医学方向等领域的未来发展提供思路。

2 核酸水凝胶的制备

随着研究的不断深入，研究人员利用核酸分子自身特性，在其中引入其他功能性的分子元件，或与其他功能生物材料相互结合，为此设计了多种交联方法来制备纯核酸水凝胶或聚合物-核酸杂化水凝胶，以下介绍了这两种刺激响应型核酸水凝胶的制备方法。

2.1 纯核酸水凝胶

纯DNA水凝胶是一种完全由脱氧核糖核苷酸链组成的水凝胶，它们通常是借助氢键、物理缠结或链之间的酶促反应形成的[3]。2006年，首次有研究团队报道了纯DNA水凝胶的成功合成，该研究团队设计了X形、Y形和T形3种类型支链 DNA单体[7]（如图1A）。由于这些DNA分子都具有互补的黏性末端，因此，它们可以借助T4 DNA连接酶相互杂交，最终连接形成DNA水凝胶。这项研究首次合成了纯DNA水凝胶，并通过实验进一步证明了该水凝胶具有可调节性和可编程性。重要的是，基于这种特点，可以设计不同类型的DNA水凝胶来满足多方面的应用。然而，普通的纯DNA水凝胶的敏感度较低，产生效应的时间比较长。因此，开发出在外界刺激下能迅速响应的DNA水凝胶具有重要意义。例如，裴仁军等[8]就利用两种Y-支架核酸亚基和赭曲霉毒素A的适体结构域构建了一种纯DNA水凝胶。在赭曲霉毒素A存在下，该水凝胶发生了可切换的凝胶-溶胶转变，并且靶分子可以刺激DNA水凝胶快速分解释放包被的HRP，从而触发H2O2和ABTS反应，使比色检测的双信号放大。

然而，纯DNA水凝胶的制备也存在一些问题，如制备成本高、难度大、稳定性不足等。目前，通过具有成本优势、高效准确的核酸扩增方法，尤其是滚环扩增技术（rolling circle amplification，RCA）来制备纯DNA水凝胶吸引了越来越多研究人员的目光 [9]。RCA是一种等温核酸扩增技术，能在温和的条件下利用DNA聚合酶循环复制DNA模板，进而形成具有周期性序列的长单链DNA（single-stranded DNA，ssDNA）[10]。仰大勇等[11]报道了一种利用双RCA形成的两条超长ssDNA自组装形成DNA水凝胶（如图1B）。长ssDNA与骨髓间充质干细胞膜上的ALPL蛋白具有高亲和力，从而增强了细胞锚定的特异性，再加上DNA水凝胶交联网络的中等存储模量，使得细胞的机械损伤减少。类似地，为了证明氢键对DNA水凝胶的重要作用，在2023年，颜娟等[12]利用双RCA技术产生的ssDNA作为前体制备了纯DNA水凝胶，而且通过调整ssDNA间的氢键程度改变了其对AuNPs的包封效率。这为设计不同类型的核酸水凝胶提出新的思路，并奠定了核酸水凝胶的应用基础。然而，随着DNA水凝胶多领域应用需求的增多，引入更多恒温扩增方法，进一步提高扩增反应的效率、重复率与稳定性已成为影响DNA水凝胶制备方法改进的关键因素[13]。

此外，以分子间G-四链体作为DNA水凝胶的核心成分能够为核酸水凝胶的构建提供足够的连接力。[14]以单链和设计精巧的Y型结构作为辅助，一般情况下，基于胸腺嘧啶-腺嘌呤-胸腺嘧啶 (thymine-adenine-thymine T-A.T) 的三联体结构比质子化胞嘧啶-鸟嘌呤-胞嘧啶 (cytosine-guanine- cytosine, C-G.C+) 的三联体结构的形成和分解时的pH要高。因此，这种纯DNA水凝胶可通过pH控制进行DNA结构的可逆自组装，同时也可以在凝胶和液体之间相互转换。为了进一步探索pH刺激响应纯DNA水凝胶的可能性，杨秀荣等[15]将T-A.T和C-G.C+两种三联体同时引入来构建pH活化的纯DNA水凝胶，其中三联体结构是通过改变pH值来控制纯DNA水凝胶形成和解离的核心要素。同时，他们将荧光团和淬灭剂一起加入水凝胶中，为荧光技术检测提出了一种新的策略。

2.2 聚合物-核酸杂化水凝胶

DNA水凝胶具有很高的刺激响应型、包封效率，以及良好的亲水性、柔软性和极强的分子识别能力。正是这些优点，使得DNA水凝胶在过去近20年里得到了许多方面的应用，但仍有一些缺点不容忽视，例如DNA分子的稳定性有限、净电荷为负和生产成本高等。基于此，许多研究人员试图将亲水性聚合物等纳米材料掺入到DNA水凝胶中，从而得到生物兼容性和稳定性更高、成本更低的聚合物-核酸杂化水凝胶。对于响应型的DNA水凝胶，可以将刺激响应型的DNA序列或其他连接物接枝到聚合物上，再通过DNA杂交或其他相互作用使其自组装成一个三维水凝胶，例如，将DNA接枝到聚丙烯酰胺链上。

2015年，Kopeček等[4]提出了另一种杂化水凝胶的设计概念。他们将多种肽核酸（peptide nucleic acids，PNA）接枝的合成水溶性N-（2-羟丙基）甲基丙烯酰胺聚合物加入连接体DNA，然后进行交联（如图1C）。PNA-DNA络合可以介导聚合物链的自组装，导致亲水聚合物网络的形成。然而，当受到外界刺激时，连接体与聚合物之间的相互作用极大可能会被破坏，导致DNA杂化水凝胶的解离。同年，Willner等设计并制备了一种基于K+触发而组装成的刺激响应型G-四联体结构的聚丙烯酰胺-DNA杂交水凝胶[16]。该水凝胶中使用了两个交联部分，包括自互补黏性末端的DNA双链和响应型的富含鸟嘌呤的DNA序列形成G-四重结构。并且，由于存在两个交联，该水凝胶可以在K+存在的条件下形成鸟嘌呤-K+-鸟嘌呤络合物连接鸟嘌呤单元，大大提高自身的稳定性。这种可逆的刺激响应杂化DNA水凝胶可在G-四联体和热刺激的联合触发下引起溶液-水凝胶-固体三者之间的循环变化。而且，在该水凝胶中加入18-冠-6醚可消除K+并分解G-四联体结构，导致不定型的水凝胶的形成。其中，自互补双交联作为记忆码使得聚丙烯酰胺-DNA杂交水凝胶在K+存在下恢复原始形状，并可以使其在凝胶和准液体之间可逆地显示K+响应相变。这些设计方法的提出推动了刺激响应水凝胶制备的发展。

3 刺激响应型核酸水凝胶

核酸水凝胶可以根据不同的刺激因素分为多种类型，包括pH响应型、光响应型、温度响应型和化学触发型等（如图2）。这些不同类型的核酸水凝胶可以根据具体的应用需求进行不同的设计和优化，以实现特定的刺激响应行为。

3.1 pH响应

基于肿瘤特异的酸性微环境，pH响应型DNA水凝胶可以在肿瘤微环境下特异性控制药物的释放。其中响应H+的主要DNA结构是G-四链体和i-motif。水凝胶骨架往往是由两条ssDNA在酸性条件下形成G-四链体或i-motif结构进行聚合，进而形成致密的DNA水凝胶。2009年，刘冬生等[17]首次报道一种基于DNA自组装的pH响应型水凝胶。在该研究中，Y形DNA的两端各有一半i-motif序列，它可以在酸性条件下形成完整的二级功能结构，进而形成纯DNA水凝胶。当溶液pH较高时，i-motif二级结构解离，DNA水凝胶将会转化为溶液。2017年，田雷蕾等[18]利用RCA技术，将pH敏感的交联位点引入到DNA模板链中，制备了pH响应型水凝胶（如图3A）。由于RCA的DNA模板可以自由编程，使得水凝胶的性质更易于调整。这些具有pH响应特性的水凝胶制备简单，可用于pH刺激药物释放的进一步研究，同时也为其他智能DNA水凝胶的设计与开发开辟新的道路。

此外，特定的DNA序列与疾病的发展密切相关，但是如何实现快速、低成本、高灵敏的目标DNA检测仍是一个相当大的挑战。Hong等[19]将催化发夹组装（catalytic hairpin assembly，CHA）技术与毛细管作用结合起来，设计了可用于肉眼检测目标短ssDNA的pH响应型DNA水凝胶。该体系是由三个发夹DNA与目标DNA相互杂交来充分扩增Y形DNA纳米结构，直到经过CHA循环完全消耗。最终扩增得到的Y形DNA的每个臂都是由i-motif结构形成的黏性末端构成的。值得注意的是，在pH为5的酸性条件下，这些序列可以发生自组装，在i-motif驱动的交联下形成目标ssDNA和pH双响应的DNA水凝胶。该方法对血清中目标基因的检测灵敏度很高，有效性强，而且使人们用肉眼就能灵敏地检测出目标DNA，在一定程度上克服了分析设备的昂贵和操作的复杂等条件的限制。

3.2 光响应

光是用来构建稳定和分解核酸结构的物理刺激因子，与pH相比，它拥有的时空响应特性更精确。由于光的类型、功率和波长都可以人为来精确调节，并且光的刺激具有可逆性，因此已经有许多研究工作借助光响应结构来合成DNA水凝胶[20]。例如，利用偶氮苯分子来设计光触发DNA水凝胶。偶氮苯具有特殊的光控特性，在自然光照射下，偶氮苯的构象由原来的顺式转变为反式，而在紫外线的条件下，其构象变化正好相反。利用这一特性，研究人员将偶氮苯功能化的DNA作为交联剂进而构建可逆性的光响应DNA水凝胶。2010年，谭蔚泓等[21]将对光敏感的偶氮苯作为交联剂加入DNA链中，然后放到DNA-聚合物溶液中，这样就可以通过交联剂与侧链DNA的相互杂交，形成对不同波长的光有不同反应的DNA杂化水凝胶（如图3B）。外界紫外光的照射能将偶氮苯转化为苯，使得DNA聚合物从凝胶状态转换为溶液。这项研究发现，光响应DNA水凝胶通过自然光与紫外光条件的改变能够可逆地控制水凝胶的相变，进而可以用来精确调控货物的装载与释放。此外，PC-linker是一种多功能交联剂，能够通过光化学反应将DNA链交联在一起，也可用来构建光响应型核酸水凝胶。

在另一项研究中，刘冬生等[22]制备了一种1-（4,5-二甲氧基-2-硝基苄基）乙氧基光敏基团保护的胸腺嘧啶脱氧核苷亚膦酰胺单体，然后借助固相合成将其引入到DNA序列中，从而实现了对DNA链互补的光学控制。接着利用该单体成功制备了快速光响应DNA超分子水凝胶，拓宽了DNA单体的多样性。此外，光响应分子也可以被用来设计响应型DNA水凝胶。Murata等[23]利用X形DNA与人工碱基cnvK杂交制备了光响应DNA水凝胶，在紫外光照射下它可以表现出不同波长的相变化。当紫外光波长为366 nm时，该碱基可以与胸腺嘧啶相互作用。值得注意的是，该光响应DNA水凝胶在340 nm处会发生崩解，使得黏性末端发生可逆杂交，最终导致凝胶－溶胶转换。此外，还可以利用DNA和聚乙烯醇交联构建光响应型PVA-DNA水凝胶薄膜[24]。用紫外线照射并浸于纯水中，水凝胶薄膜出现扩张现象。相反，如果将扩张的薄膜置于氯化钠溶液或十六烷基三甲基溴化铵溶液中时，薄膜将会收缩。这种DNA薄膜的扩张-收缩过程可以多次重复。

3.3 温度响应

DNA双链中的氢键在高温条件下易发生断裂而使DNA解旋，温度降低后又会使双链DNA再次恢复双螺旋结构。利用DNA对温度敏感的这种特性，温度响应型DNA水凝胶也得到了广泛地设计和应用。2010年，刘冬生等[25]合成了一种同时具有热、酶响应型的DNA水凝胶，它是通过Y形DNA和连接体借助黏性末端杂交组装而成的。而且当温度升高到50 ℃时，该水凝胶互补的黏性末端碱基被削去，使其从凝胶转化为溶液。此外，也可以将具有光热效应的纳米材料与核酸进行结合，进而制备可以被精确控温的温度响应型DNA水凝胶，更适合在体内应用。例如， Park等[26]就利用具有光热特性的金纳米颗粒合成了一种自组装的温度响应DNA水凝胶，可用来控制药物释放。而且，静电之间的相互作用使得带正电的金纳米颗粒（gold nanoparticles, AuNPs）被吸附到带负电的DNA链上，抗癌药物阿霉素（doxorubicin，DOX）也可以被嵌入其中，进而整体上构成了一个给药系统。当这个整体被光照射时，系统中的金纳米颗粒将吸收的光能转化为热能，导致DOX-AuNP-DNA水凝胶被热分解为碎片，DOX被释放到给药部位。最近，基于Ti3C2TX的MXene与DNA水凝胶的结合体作为光热剂，DOX作为负载药物，郭玮炜等[27]构建了一个光热-化疗协同治疗肿瘤的高效平台（如图3C）。其中，光热MXene纳米片在近红外光的照射下引起温度升高，使得MXene-DNA水凝胶转变为溶液，从而导致DNA双交联解开释放DOX，这一系列过程可用于局部肿瘤的治疗。

3.4 化学触发

除了上述提到的外界响应因素外，DNA水凝胶也可以响应一些化学物质，包括金属离子、氧化还原和酶反应触发的系统交联组装的变化，进而可以诱导其相变。

3.4.1 金属离子响应

金属离子（如Zn2+、Ag+、Hg2+）可以通过桥联DNA序列中的碱基错配构建双链DNA，进而促进了金属离子响应型DNA水凝胶的进一步发展。2014年，希伯来大学Willner等[28]利用Ag+交联DNA来功能化聚丙烯酰胺共聚物，进而合成了金属离子响应DNA水凝胶。Ag+可刺激胞嘧啶-Ag+-胞嘧啶复合物的产生，导致共聚物交联形成水凝胶。但是，经过半胱氨酸诱导后，由于Ag+发生消除使胞嘧啶Ag+-胞嘧啶桥遭到破坏，最终使得DNA水凝胶解离成溶液。近年来，有毒离子的检测受到越来越多的关注，因此，开发简便、经济的检测方法用于现场检测和处理具有重要意义。由于刺激响应型水凝胶材料具有制备简单、便于携带和易于储存的优点，它已被广泛用于金属离子的检测。但是，这些方法仍然需要额外的标记或嵌入来封装信号。为了实现Pb2+介导的生物传感无标记策略，唐伟等[29]通过引入Pb2+依赖性的DNAzyme和底物链的方式设计并制备了一种Pb2+响应DNA水凝胶（如图4A）。正是由于Pb2+的存在，该水凝胶骨架中的酶链被激活，接着底物被触发裂解，最终破坏了水凝胶的整个结构。然而，崩解的DNA水凝胶释放出的DNA片段输出可以定量Pb2+浓度的信号，这成功解除了信号分子标记或嵌入的必要性。这种Pb2+响应DNA水凝胶操作简单，读取方便，成本低廉，通过进一步调整DNAzyme和底物的相关序列，也可以用于其他有毒金属离子的无标记检测和分析。

3.4.2 氧化还原响应

氧化还原基团也可以用来制备DNA水凝胶，并可以在细胞内实现药物的可控释放。作为细胞中的还原剂，谷胱甘肽能够破坏二硫键氧化还原基团，从而导致水凝胶发生相变。湖南大学谭蔚泓等[30]通过A、B两个具有黏性末端的Y形单体以及一个DNA连接体构建了一种谷胱甘肽响应DNA水凝胶。值得注意的是，单体A是由三个DNA单链组成，其每一个都具有三个黏性末端；单体B是由一个黏性末端和一个适体构成，这是为了实现对DNA水凝胶的控制以及可识别特定的细胞；而DNA连接体是由具有两个黏性末端的DNA双链形成，其黏性末端可以实现与单体A、B的末端互补。最终，所有的组分通过二硫键进行结合，可形成球形的纳米水凝胶。而且，组分A和B比例的改变可以控制该DNA纳米水凝胶，其次，二硫键可在谷胱甘肽的刺激下将水凝胶裂解成碎片。除此之外，另一项研究利用氨基功能化的自互补核酸对羧甲基纤维素聚合链进行修饰，并且在Fe2+存在的条件下，可进一步得到一个由核酸双链和Fe3+-三羧酸酯链间桥接配合物形成的稳定核酸水凝胶（如图4B）[31]。抗坏血酸在其中起重要作用，它能将Fe3+还原成Fe2+，从而使得链间Fe2+-二羧酸发生桥接，导致水凝胶的刚度大大降低。然而，水凝胶与过硫酸盐的反氧化可以再生出高刚度的水凝胶，通过抗坏血酸将Fe3+桥接的水凝胶循环还原成Fe2+桥接的水凝胶，并与过硫酸盐发生再氧化，水凝胶能够在低刚度和高刚度之间相互转换。

3.4.3 酶响应

可编程刺激响应DNA水凝胶在生物医学领域具有巨大潜力，然而，可能由于水凝胶基质内传质的速度比较慢和机械强度比较差等原因，使得DNA水凝胶对生物大分子的反应尤其缓慢，阻碍了其发展。郭玮炜等[32]通过冷冻环境构建了一个具有层次结构的DNA水凝胶，展现出显著的响应能力和机械性能。对水凝胶中DNA交联剂进行序列编程构建酶响应的模型水凝胶，同时它可以与酶协同产生生物催化级联反应。其次，用核酸切割DNA的磷酸二酯键后，可以使其具有酶反应性。刘冬生等[33]介绍了一种DNA功能化的多肽链形成的酶反应型水凝胶，其中，限制性核酸内切酶能在限制性内切位点的特定碱基上裂解双链DNA，将限制性位点与DNA序列进行结合，使DNA水凝胶对限制性核酸酶发生特定反应，从而触发溶胶到溶液的改变。

近年来，CRISPR技术受到人们的广泛关注，它是由引导RNA（guide RNA, gRNA）和CRISPR相关（CRISPR-associated，Cas）蛋白两部分构成，并以复合物的形式存在。在这个系统中，gRNA不仅可以识别目标DNA序列，还能引导Cas核酸酶在特定位点精确切割目标DNA序列。Collins等[34]设计并制备了由PEG、聚丙烯酰胺和炭黑构成的多功能CRISP-Cas12a响应DNA水凝胶。其中gRNA和目标DNA之间发生碱基序列互补，然后激活Cas12a核酸酶有针对性地消化目标DNA，最终可使单链DNA交联剂被非选择性地水解。而且，在Cas12a酶和gRNA存在的条件下，PEG-DNA水凝胶和聚丙烯酰胺-DNA水凝胶都能实现纳米颗粒、分子和活细胞的自定义释放。此外，Oh等[35]报道了一种可以被Cas9/sgRNA精确切割的多适体DNA水凝胶，实现了PD-1适体的可编程释放（如图4C）。当与Cas9/sgRNA同时存在时，双链DNA交联剂被切割，使PD-1适体水凝胶失去原有的凝胶特性，导致其可在特定的肿瘤部位释放出来，表现出很强的抗肿瘤潜力。

4 刺激响应型核酸水凝胶用于细胞捕获和释放

刺激响应核酸水凝胶具有良好的生物相容性和可生物降解性，它可以针对各种外界物理化学刺激做出相应反应，同时表现出可控的动态行为。首先，通过将细胞与凝胶基质共培养，可以捕获和固定细胞，能够进一步观察细胞在药物作用下的动态变化，实现细胞成像。值得注意的是，刺激响应型核酸水凝胶也能与细胞治疗相结合，将靶向功能序列或刺激响应型结构嵌入到DNA水凝胶中，增强其细胞捕获或释放的能力，包裹特定类型的细胞（如免疫细胞或干细胞）并释放到目标组织，有利于解决细胞定位和存活问题。此外，药物可以包裹在核酸水凝胶中，借助水凝胶刺激响应的能力，药物能精准释放到目标部位。这种递送方式不仅能显著提高药物的靶向能力和治疗效果，还能降低其在体内的副作用。类似地，核酸水凝胶也能将小分子物质靶向递送到体内，达到治疗效果（如图5）。

4.1 细胞成像

刺激响应型DNA水凝胶能用于细胞成像。然而，为了在原位能观察到细胞的形态和功能（包括固定、标记和成像过程），DNA水凝胶在浸泡和洗涤过程中需要表现出较好的稳定性。刘冬生等通过原位聚合成功构建双网络，进而形成一个稳定的三维透明的超分子聚丙烯酰胺DNA杂化水凝胶，可用于培养并观察细胞[36]。这种DNA水凝胶具有刚性结构，抑制了三维DNA网络中交联点间距离的变化，使其抗拉伸、抗剪切强度大大提高。其中，增强的机械性能提高了DNA水凝胶染色和洗涤循环的能力，并可用多种颜色标记细胞中的某个区域。该研究证明了DNA水凝胶对细胞的定位和其密度的可控性有助于细胞成像和细胞培养。另一研究指出，合适的DNA水凝胶体积是其成为优异的成像探针或药物递送载体的必要条件。基于此，蒋健晖等[37]报道了一种以链霉亲和素为基础，通过DNA自组装形成的具有蛋白质支架的纳米级DNA水凝胶，在临床上可用于肿瘤细胞的靶向治疗和响应成像。该研究表明，肿瘤微环境中高水平的三磷酸腺苷（ATP）会激活水凝胶产生特异性荧光信号，并释放负载的治疗剂，达到成像及治疗癌细胞的效果。

ATP和生物硫醇在生物系统中扮演着重要角色，它们的表达水平与许多严重疾病的发生息息相关。为了更加准确并直观检测出生物体内ATP和生物硫醇的浓度，丁彩凤等[38]报道了一种包被多孔碳纳米球（porous carbon nanospheres，PCN）及双色荧光探针的DNA交联水凝胶，可用来同时检测和成像活细胞中的ATP和谷胱甘肽。当荧光探针被活细胞吸收后，它能够与靶标特异性结合同时呈现两种荧光。张学记等[39]利用不同DNAzyme和活性金属离子构建了多孔3D Au-DNA水凝胶网络，用于同时成像活细胞内的miRNAs。细胞转染后，特异性的miRNAs能进一步引发链置换，并依次激活DNAzyme辅助的循环反应，最终使得细胞成像后的荧光强度大大增强。

此外，为了满足结构复杂性、精度、细胞活力和可扩展制造的要求，刘冬生等[40]基于具有良好生物相容性和优异自愈性的DNA超分子水凝胶，设计了一种新的“砖墙”来制造多种细胞类型的三维组织结构。该研究对DNA水凝胶的信号反应进行了评估，发现水凝胶允许细胞在三维结构中迁移。这种构建策略不仅可以适应不同的细胞类型，还容易排除损坏的细胞。

4.2 细胞治疗

目前，免疫疗法是一种比较理想的肿瘤治疗方法，它能克服肿瘤的免疫耐受，同时引发剧烈的免疫反应。然而，如何设计一个具有抗原适应性、可操作性和可生物降解性的体系来招募并激活抗原提呈细胞（antigen-presenting cells, APC）仍困扰着很多研究人员。李艳梅等[41]设计并制备了一种可注射的DNA超分子水凝胶疫苗（DNA supramolecular hydrogel vaccine，DSHV）接种系统，它在体内外均展示了良好的募集并激活APC的生物活性（如图6A）。而且，APC可被局部高浓度的CpG所激活，进而激活强烈的免疫反应，达到显著的抗肿瘤疗效。此外，为了减少肿瘤治疗过程中使用常规方法捕获循环癌细胞（circulating tumor cells，CTCs）导致的细胞损伤，南京大学郭子建[42]利用适体触发杂交链式反应制备了3D多孔DNA水凝胶，其多孔结构极大程度上减少细胞损伤。该水凝胶能进一步包被CTCs，并在ATP触发的情况下分解释放，实现了活的CTCs的捕获与释放。而且，有研究发现核酸纳米组装技术构建的功能化水凝胶能够实现T细胞的有效捕获和T细胞受体（T cell receptor，TCR）的可调激活[43]。当系统同时存在三维力动量和二维剪切力信号，可使TCR的激活更有效。包裹在DNA水凝胶的免疫细胞和抗原可以一起被递送到小鼠体内并诱发特异性免疫反应，同时肿瘤接种前后皮内给药可使小鼠肿瘤生长的周期延缓，而且无明显严重不良反应出现。研究表明， CTCs中包含原发肿瘤的分子信息，临床上可用于预测癌症诊断。为了克服在全血中捕获活CTC及其定量上的困难，左小磊等[44]借助适体触发夹杂交链反应的方法，制备了一种原位鉴定的多孔DNA水凝胶实现了对CTC的覆盖或去覆盖，用于活细胞分析。该水凝胶可在全血中识别少量的CTC，能实现高灵敏度和高特异性的临床诊断，也进一步为细胞治疗提供依据。

值得一提的是，张开翔等[45]报道了一种含有PDL1适体的DNA水凝胶，它可以有效地捕获和富集肿瘤细胞，增加局部ATP的浓度以实现及时的信号预警（如图6B）。此外，当体内的阳性信号被检测到时，可以用局部激光照射来触发光动力治疗（Photodynamic therapy，PDT），这一过程不仅能杀死捕获的肿瘤细胞，同时还能释放肿瘤相关抗原。此外，PDT是一种有前途的癌症治疗方式，然而，由于外部辐射的穿透有限性和肿瘤微环境的复杂性，光动力疗法的抗肿瘤效率受到很大限制。为了改善肿瘤治疗效果，天津大学的仰大勇等[46]利用两条超长单链DNA链构建了一个基于DNA的能量储存水凝胶，它可以在没有外部辐射的条件下选择性地在肿瘤部分敏化PDT，从而产生肿瘤抗原以激发肿瘤免疫反应。该研究代表了一种抗癌光动力免疫疗法的新范式。

此外，高效分离高纯度和低细胞损伤的免疫细胞对免疫治疗非常重要，但仍然面临巨大的挑战。基于此，仰大勇等[47] 设计了一种用于T细胞的特异性分离的细胞捕获DNA网络。其中，通过酶扩增工艺合成的两条超长DNA链作为细胞锚定和免疫佐剂。而且，相互互补的序列促进了DNA网络的形成和T细胞的封装，利于T细胞和免疫佐剂的反应性释放。同时，该网络提高了捕获的肿瘤浸润T细胞的纯度，增强了T细胞的生物活力，有助于实现免疫治疗。

除了肿瘤治疗外，核酸水凝胶在皮肤治疗、肌腱修复方面也有重要应用。目前，临床上治疗严重烧伤的方法主要是植皮，但全面治疗烧伤症状的效果仍不理想。温永强等[48]基于动态交联DNA单元、L-抗坏血酸2-磷酸和聚丙烯酰胺形成的致密氢键合成了多功能DNA水凝胶来治疗皮肤烧伤（如图6C）。该水凝胶为体内干细胞的生长提供了合适的环境，可促进细胞增殖，保持其原有活性，同时实现干细胞的有效释放。与此同时，DNA水凝胶系统也可以促进巨噬细胞转化、血管生成以及神经形成，有助于皮肤组织再生。值得注意的是，通过加入冰片，该系统可缓解损伤部位的疼痛以及瘙痒，对患者治疗有辅助作用。此外，刺激响应核酸水凝胶也对糖尿病慢性伤口创面区域的环境（如pH、温度等）有特异性的反应[49]。该水凝胶在糖尿病伤口愈合方面表现出优异的治疗潜力。但因伤口敷料中负载的细胞或细胞因子一般只在特定的愈合阶段才能发挥作用，在实际应用中需要严格控制时间。其次，对于肌腱损伤修复，利用肌腱干/组细胞（Tendon stem/progenitor cells，TSPCs）是目前最有前景的一种治疗策略，它可以调节肌腱微环境的代谢，并促进细胞基质和胶原的合成。但是注射的TSPCs可能因为肌腱微环境的贫瘠、滑动剪切以及肌腱周围营养供应不足等原因，使其治疗效果达不到预期。因此，王光林等[50]报道了一个封装TSPCs的DNA水凝胶递送系统，它既能提供良好的细胞外基质微环境为增殖提供了必需的营养和剪切抵抗力，又能明显延长TSPCs在肌腱的保留时间。

此外，水凝胶还可以作为细胞外基质的合成模型，用来研究机械信号如何调节细胞行为。基于此，清华大学刘冬生等[51]利用DNA及其对映体设计了一种具有单变量刚度调节的水凝胶，研究表明，水凝胶的降解可能会通过增强细胞间的相互作用来影响神经组细胞的分化，但水凝胶本身的刚度不会影响。除此之外，董原辰等[52]借助一系列DNA纳米模块来调节纯DNA超分子水凝胶的刚度，研究了DNA分子刚度与宏观刚度间的关系和网络交联点的连接方式对DNA水凝胶刚度的影响。该研究为可编程智能材料的潜在生物应用奠定了理论基础。

4.3 协同药物递送

复杂的体内环境和引发物的低浓度在很大程度上限制了向靶部位递送治疗药物的发展。核酸水凝胶拥有较好的机械性能，然而较大的体积尺寸以及不规则的形状影响了它们进行体内药物递送。随着研究的不断深入，DNA水凝胶的可控释药性能不断改善。氟尿定（floxuridine，F）是一种重要的细胞毒性核苷类似物，起到抗癌作用。它的结构与天然核苷类似，很容易将其整合到DNA或RNA中。张川等[53]将DNA和RNA水凝胶进行自组装，并通过固相合成或酶介导的方法将F有效地整合到核酸链中。该药物递送系统保留了原始分子识别的优势，同时核酸凝胶能够被肿瘤细胞捕获吸收进而释放治疗药物，并表现出优异的抗肿瘤活性。此外，化疗药物DOX也在肿瘤治疗中占有重要地位，但它也存在着非特异性递送导致副作用的缺点。最近，为了构建高效靶向给药的治疗平台，陈婷梅等[54]制备了一种双靶标和多价适配体修饰的DNA水凝胶，同时可装载抗癌药物DOX。该DNA水凝胶整合了HER2和AS1411两种适体，增强了整个体系的靶向性。它在到达靶细胞后不仅可以释放DOX和适配体核酸药物，还能引起HER2蛋白的降解，对HER2阳性乳腺癌的治疗有所帮助。此外，与其他合成药物相比，肽类药物免疫原性和生产成本减低，但由于其脱靶递送和不必要的泄露引起的副作用，肽类药物的临床应用受到极大限制。为了解决这些问题，研究人员[55]将纳米级DNA水凝胶功能化，设计了一种肽药物递送载体。一方面，该研究将细胞穿透性抗癌肽药物Buforin IIb 通过静电作用加载到水凝胶网络中，然后，与可以作为光触发肽药物释放的光热试剂AnNPs进行组装。另一方面，将包括癌症靶向YNGRT序列整合到DNA水凝胶中，可以实现癌细胞靶向递送。该研究为实现安全、癌症特异性靶向和高效的肽药物递送奠定了良好的实验基础。

此外，作为被FDA批准的口服降糖药，二甲双胍（metformin，MET）在治疗骨关节炎（osteoarthritis, OA）方面也表现出良好的治疗潜力。然而，MET无法越过关节腔内严重的炎症环境，导致其未到达治疗部位就被清除。因此，丁长海等[56]将DNA超分子水凝胶作为载体持续递送MET来治疗OA，可将MET在关节腔内的滞留时间延长到14 d，同时抗炎效果大大增强。除此之外，由于DNA水凝胶的可重复性和生物降解的特性，它具有作为牙周病载体的巨大潜力。尤其是没有任何化学修饰的物理交联DNA水凝胶表现出最小的细胞毒性和令人满意的生物相容性。因此，郑晓峰等[57]利用物理交联的DNA水凝胶作为支架，构建了一个可生物降解、抗炎和成骨的白细胞介素水凝胶，可用于细胞因子白细胞介素-10的长期持续释放，从而加速糖尿病肺泡骨的重建。研究结果表明，该水凝胶可以促进M2巨噬细胞的极化，减轻牙周炎症，还加速了糖尿病肺泡损伤的缺陷愈合率。

近年来，作为一种新型治疗工具，可注射的核酸水凝胶表现出良好的自我修复和持续释放的特性。Paul等[58]基于可逆性亚胺键与氧化海藻酸盐交联设计并制备了DNA复合水凝胶，可作为药物辛伐他汀持续有效递送的注射性载体。如果带电的硅酸盐纳米颗粒与DNA水凝胶中的磷酸基团发生静电作用，DNA复合水凝胶的剪切强度会进一步提高，而且药物辛伐他汀的释放时间会长达一周以上。同时，水凝胶也是伤口愈合的理想敷料，能够提供与细胞外基质相似的微环境，有利于细胞的增殖与黏附。因此，王鹏飞等[59]利用胞嘧啶（cytosine，C）-Ag+-C与Ag+错配络合形成的C—C桥构建了一种耐久性和缓释性能良好的多功能DNA水凝胶（如图7A）。值得注意的是，该水凝胶携带的FKN适配体可通过G偶联蛋白受体募集M2巨噬细胞，使炎症过程提前转变成增殖过程，大幅缩短了伤口愈合的时间。大鼠的体内实验也再次证明了双功能化的DNA水凝胶有加速皮肤组织再生和伤口愈合的能力和应用潜力。

此外，含有胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（cytosine- phosphate-guanine，CpG）基序的DNA水凝胶可充当疫苗佐剂发挥重要作用。然而，该水凝胶无法正常通过胃肠道，导致其口服进入体内后疗效受到极大限制。壳聚糖具有黏结特性，使用壳聚糖包被可以明显改善水凝胶在胃内的稳定性和停留时间。基于此，Nishikawa等[60]利用乳化/包被法事先制备了壳聚糖，再用其包被水凝胶微球以提高整个递送系统的稳定性。而且，壳聚糖在胃内的酸性环境中具有阳离子性质，在一定程度上减少了自身的分解损失，并促进了CpG DNA的口服递送。另外，也可以将雪松花粉抗原Cryj1装载到刺激响应CpG DNA水凝胶中，使Cryji具有缓释性[61]。此外，为了制备出在酸性环境下也具有稳定性的DNA水凝胶，A*STAR 高级研究员Ying等[62]将含有富腺嘌呤-富胞嘧啶寡核苷酸设计形成共聚物，进而通过交联制备了耐酸和pH响应型DNA水凝胶。通过DNA水凝胶包被胰岛素，它可以通过口服到达糖尿病大鼠的胃（pH 1.2）十二指肠（pH 5.0）和小肠（pH 7.2）等酸性较强的部位，这也证明该DNA在口服给药治疗方面有潜在应用。

另外，治疗性分子RNA在肿瘤治疗中占有重要地位，然而裸露的RNA极不稳定，而且它在体内很容易被核酸酶降解，不易进入细胞发挥作用。基于此，首尔市立大学Bum等[63]利用短发夹RNAs（short hairpin RNAs, shRNAs）与DNA适配体进行杂交制备了DNA-RNA杂交水凝胶，它具有柔软性、坚固性以及可注射性。该水凝胶能够模拟体内的微观结构，可被设计成顺序释放siRNA-适体复合物（siRNA-aptamer complex，SAC）。在该研究中，通过编码限制性内切酶的特异性位点，杂交水凝胶可释放出SAC，实现了RNA的有效递送，暗示了RNA治疗的应用潜力。此外，富含尿苷和鸟苷的单链RNA，可激动Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）7和TLR8，并激活体内剧烈的免疫反应。为了将富含谷氨酸的RNA持续有效地递送到免疫细胞，另一研究团队将两组六足类富谷氨酸RNA/DNA纳米结构混合构建了RNA/DNA水凝胶，实现了富含谷氨酸RNA的持续释放[64]。利用小鼠实验，该研究证明了装载到水凝胶中富含谷氨酸的RNA能够诱导DC 2.4小鼠的树突状细胞大量释放出肿瘤坏死因子-α。

其次，miRNA也可用于抗肿瘤治疗。2021年，为了解决缺氧引起肿瘤转移导致肿瘤复发的问题，临沂大学李雪梅等[65]基于肿瘤抑制miRNA（miRNA-205）和抗肿瘤转移miRNA（miRNA- 182）两种抗肿瘤分子制备了RNA水凝胶，它可以将CpG DNA和shRNA佐剂、MnO2负载的光敏剂Ce6（MnO2@Ce6）和DOX共同递送到MDA-MB-231细胞中。该水凝胶被体内的酶分解后会大量释放治疗分子，并引发肿瘤内H2O2分解，进一步缓解了肿瘤缺氧的状况，同时触发体内的抗肿瘤免疫反应。除此之外，microRNA，尤其是miRNA-5590，在退行性髓核中的表达有明显差异，这会直接影响3′ UTR of DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box helicase 5的表达，也会反过来使哺乳动物中雷帕霉素靶蛋白的磷酸化，极大地影响了细胞自噬和凋亡。然而如何将miRNA成功地送到靶部位仍是一个摆在人们面前的难题。中国医学科学院肿瘤医院宋杰等[66]利用球形核酸负载miR-5590设计了一种多功能DNA水凝胶用来治疗椎间盘退变（如图7B）。如果在损伤部位直接注射水凝胶会使miR-5590的释放时间达到一致性与可延长性，同时也会诱发髓核细胞发生自噬，进而抑制细胞凋亡。

此外，基于凝胶化过程和可设计的响应型，DNA水凝胶已被用于封装和释放纳米级物质，然而，包膜和释放微尺度物体仍然是一个巨大的挑战。由于其简单性和通用性，在微孔中捕获单细胞得到广泛使用。然而微孔中的单细胞易交叉污染，再加上封闭微孔的膜大多不具备渗透性，可能会对细胞的行为产生负面影响。因此，清华大学的刘冬生等[67]制备了一种可渗透酶触发的DNA水凝胶作为覆盖物，其中营养物质和废物可以穿过DNA水凝胶的覆盖层，从而使被包裹在微孔中的细胞得以存活。而且，DNA水凝胶的网络可以被限制性内切酶特异性消化，被包裹的细胞可以实现可控释放。该研究为培养、检测和操作单细胞提供了一个平台，并可为细胞通信研究寻找潜在的应用。

5 结论与展望

总之，这篇综述详细介绍了纯核酸水凝胶和聚合物-核酸杂化水凝胶各自的制备原理及合成方法，之后分别讨论了不同刺激响应型核酸水凝胶的设计和应用，如pH、光、温度和化学触发（金属离子、氧化还原等）的响应。本文重点介绍了刺激响应型核酸水凝胶基于细胞捕获和释放的应用，包括细胞成像、药物递送以及细胞治疗（如表1）。

目前，研究者们正在通过改变水凝胶的纳米结构，如DNA的自组装、碳纳米管的复合等，来调节水凝胶的物理和化学性能。此外他们还探索如何将不同的纳米材料与核酸水凝胶相结合，以实现更高效的能量转换和更优异的力学性能，以及如何将其应用到生物医学领域。本文着重讨论细胞捕获与释放方面，有助于深入探讨核酸水凝胶在生物医学领域的应用，并为开发新型的生物材料提供有价值的研究思路。然而，对于核酸水凝胶的制备和应用仍然存在许多问题。希望未来研究者们更加注重如何改善核酸水凝胶的稳定性和机械性能，如何改善核酸的可控降解和药物有效递送释放等问题。本文旨在探讨核酸水凝胶的先进制备方法，以及其基于细胞捕获和释放的应用进展，希望给未来的相关研究提供参考和启发。

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基金资助

国家自然科学基金项目(22122409)

国家自然科学基金项目(22377110)

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