ACS AMI | 智能双锁DNA纳米机器人用于肿瘤精准成像
ACS AMI | 智能双锁DNA纳米机器人用于肿瘤精准成像
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以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
探索科学，前瞻未来
英文原题： Intelligent Dual-Lock Deoxyribonucleic Acid Automatons Boosting Precise Tumor Imaging
通讯作者： 杨纪春，刘国祥，罗阳，重庆大学
第一作者： 王柳（Liu Wang），王康（Kang Wang），王晓辉（Xiaohui Wang）
背景介绍
癌症是世界范围内导致死亡的主要原因。癌症的早期、准确诊断对于改善患者预后和长期生存至关重要。临床所采用的传统诊断方法，如计算机断层扫描、磁共振成像和病理诊断等，由于敏感性低、特异性差或侵袭性高，难以满足癌症早期和准确检测的需求。近年来，随着对核酸分子和DNA纳米技术研究的深入，荧光核酸分子探针因其独特的分子结构、优异的选择性和较高的时空分辨率被广泛应用于癌细胞的体外检测。此外，仅需合理设计核酸分子探针，即可通过各种循环扩增反应识别到早期肿瘤细胞中低丰度的生物标志物信号。然而，这些荧光分子探针用于体内临床诊断仍然受到两个关键问题的限制。首先，寡核苷酸的表面负电荷和易降解的特性往往导致肿瘤细胞对其摄取效率低并且在循环系统中半衰期短。此外，现有的荧光分子探针大多对单因素刺激有反应，这可能导致在炎性组织或器官等部位非特异性激活并产生假阳性信号。
图1.IDEAs用于精准肿瘤成像示意图
文章亮点
近日，重庆大学罗阳教授、刘国祥教授、杨纪春副教授团队在 ACS AMI 上发表了基于智能双锁的DNA机器人（IDEAs）技术实现对肿瘤的精准成像的研究。作者利用ZrMOF@MnO 2 多功能纳米复合材料和DNA步行器系统构建了IDEAs。通过在ZrMOF上原位生长MnO 2 纳米颗粒产生的ZrMOF@MnO 2 纳米复合材料可同时充当DNA步行器的刚性轨道及荧光淬灭器。当肿瘤细胞摄取IDEAs后，肿瘤细胞内过表达的miR-21通过链置换反应移除阻断链部分激活IDEAs。与此同时，肿瘤细胞中的谷胱甘肽(GSH)作为另一种平行激活，将MnO 2 纳米颗粒还原为Mn 2+ ，促进DNA步行器系统的持续运行，并产生荧光信号（图1）。因此，IDEAs仅在miR-21和GSH双重刺激的共激活下运行，从而实现在体内对肿瘤进行特异性成像。
图2.IDEAs的合成及表征
作者通过水热法，原位氧化还原反应分别制备了UiO-66-NH 2 （UN）及UiO-66-NH 2 @MnO 2 （UNM）。随后利用UNM作为载体，共价连接DNA步行链与底物链，从而产生IDEAs。通过SEM、TEM、XPS及XRD等系列表征手段证明了中间产物以及终产物IDEAs的成功合成（图2）。
图3.瘤内注射IDEAs后肿瘤双锁成像
作者采用miR-21 antagomir或BSO预处理荷瘤小鼠以降低肿瘤部位miR-21或GSH表达水平，随后通过原位或静脉注射IDEAs，可见在肿瘤部位荧光强度均随着时间变化逐渐增加，并分别在4h和12h达到峰值。此外，相比于未经抑制剂处理的小鼠，经miR-21 antagomir或BSO预处理的荷瘤小鼠在其肿瘤部位荧光强度明显下降（图3），证明了IDEAs应用于肿瘤特异性成像的能力。
总结/展望
通过将多功能纳米复合材料与DNA步行器系统相整合，研究团队构建了用于高特异性肿瘤成像的智能双锁DNA机器人（IDEAs）。肿瘤细胞中过表达的miR-21和GSH作为双锁激活IDEAs。细胞内miR-21作为第一重刺激，解锁并启动IDEAs。GSH作为第二重刺激，促进纳米复合材料生成Mn 2+ ，从而驱动IDEAs持续输出荧光信号。与传统的可激活荧光探针相比，本研究提出的IDEAs有两个显著的优点。首先，ZrMOF@MnO 2 纳米复合材料可以极大地缓解现有荧光核酸探针的易降解和低细胞摄取效率低的瓶颈。其次，细胞内双锁系统可极大地消除正常组织中的背景信号，提高肿瘤组织的成像特异性。综上所述，IDEAs可以实现肿瘤特定部位的精确成像，在临床诊断和治疗应用方面具有巨大潜力。
通讯作者信息
罗阳 教授
重庆大学医学院教授，博士生导师，公共实验中心主任，国家级人才。先后主持国家杰出青年科学基金、国家重点研发重点专项课题、国家自然科学基金面上项目等科研课题支持。先后获国家科技进步二等奖、重庆市技术发明一等奖、重庆市产学研创成果一等奖等省部级以上奖项10余项。
主要研究方向为疾病早期监测预警，主要包括POCT快速检测、CRISPR-Cas系统超敏检测技术、胞外囊泡（EVs）高效分离与原位检测技术以及新型纳米医学诊断技术。在 Sci Transl Med，Nat Commun，ACS Nano，Adv Funct Mater，Trends Biotechnol，J Am Chem Soc 等CNS子刊和顶刊发表高水平学术论文50余篇。申报国际PCT专利6项，获国家发明专利授权20余件。
刘国祥 教授
重庆大学医学部主任、医学院院长/教授、主任医师、博士研究生导师。博士学位，教授，主任医师，现任重庆大学医学部主任、医学院院长，兼任重庆市医学会副会长。曾任第三军医大学附属西南医院呼吸内科主任医师、教授、博士生导师等职务。
长期致力于呼吸系统疾病诊治和研究，在呼吸系统慢性病治疗和肺癌研究方面有较深的造诣，先后获得省部级以上科研课题10余项，包括国家自然科学基金面上项目4项，取得省部级二等奖以上成果奖7项，在国内外公开刊物上发表学术论文近100篇。
杨纪春 副教授
清华大学博士后，重庆大学医学院副教授，硕士生导师。重庆科普作协健康专委会委员、中国分析测试协会委员、中国医药质量管理协会委员、中国老年病精准诊疗协会委员。主要从事纳米医学、纳米药物递送、诊疗一体化平台构建方面的研究工作，先后主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后面上项目、重庆市来渝人才项目、中央高校项目等多项科研项目。以第一作者或通讯作者身份在 Chem Sci，Biomaterials，ACS Appl. Mater. Interface 等国际著名期刊发表高水平学术论文10余篇，授权国家发明专利1项。
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ACS Applied Materials & Interfaces. 2023，ASAP
Publication Date: January 7, 2023
https://doi.org/10.1021/acsami.2c18440
Copyright © 2022 American Chemical Society
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