ACS Chem. Biol. | 纳米盘状核酸用于基因调控
ACS Chem. Biol. | 纳米盘状核酸用于基因调控
gh_0320d0d498b4
ACS作为权威科学信息的主要来源，是全球化学企业、化学家、化学工程师和相关人员的职业家园。
英文原题 ： Nanodiscoidal Nucleic Acids for Gene Regulation
供稿人： 梁轩 北京大学
大家好，本期为大家分享一篇发表在 ACS Chemical Biology 上的文章，文章题目为 “Nanodiscoidal nucleic acids for gene regulation” ，文章的通讯作者是来自美国埃默里大学化学系的Khalid Salaita副教授。本文中，作者们开发了纳米盘状核酸分子来提高核酸药物的递送和治疗效果。
治疗性核酸分子能有效调控基因表达和蛋白质合成，由此衍生出的核酸疗法在过去几十年特别是新冠流行期间发展迅速，涌现出了反义寡核苷酸（ASO），核酸适配体，mRNA疫苗等一系列新兴核酸药物。然而大多数核酸药物受限于活体疗效不足等因素，无法顺利通过临床测试，目前仅有15种核酸疗法被FDA批准。由于核酸酶的降解作用，大多数核酸药物的血清稳定性不足，且容易在递送进细胞时被内体捕获而损失，难以顺利到达位于细胞质的靶标。将核酸分子与脂质支架组装能有效提高核酸的稳定性和递送效果，纳米盘（nanodisc）支架是其中最有效的例子之一。纳米盘是由磷脂和多肽自组装形成的纳米结构，其非球形和小尺寸非常有利于递送核酸分子，并且具有良好的临床稳定性和耐受性。然而目前的纳米盘负载的核酸数量有限，开发更好的核酸偶联和负载策略以进一步提高核酸药物的疗效意义重大。在本文中，作者们开发了基于化学偶联的纳米盘状核酸（nanodiscoidal nucleic acid，NNA）策略，来进一步提高核酸药物的递送和基因调控效果。
作者首先进行了纳米盘状核酸的制备与结构表征。受之前工作启发，他们计划利用巯基和马来酰亚胺之间的迈克尔加成反应来偶联核酸分子。为了在纳米盘骨架上引入巯基，作者在磷脂分子中掺杂了10%的巯基磷脂(Ptd-thioethanol), 并在骨架多肽末端引入了两个半胱氨酸分子。他们还在1%的磷脂分子上引入了Cy5染料以便于对NNA进行可视化研究。作者先借助挤压法制备磷脂单层囊泡，随后与半胱氨酸修饰的骨架多肽进行组装形成纳米盘骨架。然后作者将纳米盘与马来酰亚胺修饰的核酸分子混合，在相对温和的条件下实现了高效偶联，完成了纳米盘状核酸（NNA）的制备。
图1. 纳米盘状核酸（NNA）的制备流程
使用透射电子显微镜和动态光散射对核酸偶联后的纳米盘进行结构表征，作者发现大部分NNA具有单分散、均匀的形态，仍能保持小尺寸的盘状结构，其流体动力学半径略有增加（DNA偶联前11 -12 nm，DNA偶联后13-15 nm）。为了评估核酸的负载量，作者使用商业化的OliGreen测定法对NNA进行检测：5号NNA（每个负载35 ± 14条DNA）具有最高的DNA链密度，3号NNA具有适中的DNA链密度（每个负载25 ± 7条DNA），且均一性更好，更具治疗潜力。随后，作者还借助共振能量转移（FRET）和凝胶电泳对NNA进行了进一步表征，证明DNA分子确实是通过与多肽或磷脂共价偶联的方式修饰到NNA骨架上。
图2. 纳米盘状核酸的结构表征
接下来作者对NNA的稳定性和递送能力进行了评估。使用脱氧核酶（DNAzymes）作为模型核酸分子，将NNA或游离核酸与DNase I共孵育，结果表明NNA结构使得目标核酸的核酸酶抗性明显提高。为了评估其递送效率，作者使用HIF-1-α的反义寡核苷酸（ASO）来组装NNA复合物，发现与NNA能与细胞表面的清道夫受体 B1 相互作用，进而提高了NNA被细胞摄取的能力。随后的3D肿瘤球模型实验表明：相比于游离核酸，NNA结构的核酸分子能够更加有效地进入肿瘤球内部，具有更好的组织渗透性，进一步证明了NNA的良好临床应用潜力。他们还借助敏化FRET成像技术研究了NNA被细胞摄取后的动态变化，发现NNA在进入细胞24小时后发生了明显的解离，这有助于核酸分子充分到达靶点发挥治疗作用。
图3. NNA的稳定性和递送能力评估
最后，作者在细胞和活体水平上对NNA的治疗效果进行了评估。他们使用靶向HIF-1-α的ASO作为核酸分子来制备NNA，与细胞孵育后检测HIF-1-α的mRNA水平。结果表明：NNA分子能够在HeLa，KPC和HepG2等多种细胞系上降低HIF-1-α 的mRNA 水平，并实现对细胞的有效杀伤。接下来，他们在小鼠模型测试了NNA在体内的活性，将NNA尾静脉注射进老鼠体内，检测NNA分子上的荧光（NNA偶联了Cy5染料）和HIF-1-α的转录水平。结果表明：NNA主要富集在肝脏和肾脏组织中，其治疗活性相比于先前的ASO策略提高了5倍。
图4. NNA在细胞和活体水平上的治疗效果评估
总之，作者通过将核酸分子共价修饰到纳米盘上制备了高核酸密度的纳米盘状核酸。该结构具有良好的核酸酶耐受性和细胞摄取能力，在活细胞和动物模型上展现出良好的递送和治疗效果，为提高核酸类药物的临床疗效提供了新的思路。
扫描二维码阅读英文原文
ACS Chem. Biol. 2023, ASAP
Publication Date: November 1, 2023
https://doi.org/10.1021/acschembio.3c00038
Copyright © 2023 American Chemical Society
点击“阅读原文”
你“赏”我吗？