前沿概览 | 四面体框架核酸在生物医学治疗中的应用
众所周知，DNA是所有生物体的基本组成之一，由四个构件组成，包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），这些构件组成的序列编码了生命的遗传信息。DNA的组装严格遵循Watson‒Crick碱基配对原则。从化学角度看，核酸可被视为一种功能聚合物，具有在纳米尺度上以单个碱基对的精度进行自组装的能力。近几十年来，DNA分子化学工程研究逐渐兴起，被应用于医学、遗传学和生态学领域。通过自组装方法，可以合成各种形状和大小的DNA纳米材料，2005年由Turberfield及其同事首次提出最简单的DNA立方体，四面体DNA纳米结构（Tetrahedral DNA Nanostructure, TDN），也被称为“四面体框架核酸”。TDN可以通过简单的自组装方法合成，并显示出许多独特的优势：(1)基于DNA组成的四面体材料易于负渗透；(2)与一般具有细胞毒性的其他纳米材料相比，DNA纳米材料几乎没有细胞毒性；(3)四面体结构的DNA对核酸酶有很强的抵抗力，稳定性高；(4)四面体的功能化修饰位点丰富，可根据不同需要对生物分子或荧光染料进行修饰。目前，四面体框架核酸引起了广泛的关注。在本文中，我们将重点介绍其在生物医学治疗中的应用。
生物载体功能
与大多数有机或无机纳米颗粒相比，TDN被认为是一种天然的生物大分子，具有优异的单分散性、生物降解性和生物相容性。尤其是可以在不进行脂质处理的情况下进入哺乳动物细胞，虽然DNA的阴离子特性阻碍了其通过细胞膜的转运，但是核酸具有序列可调节性，通过调整它们的碱基方向可以导致电荷重新分布，最大限度地减少电荷排斥，从而成功被细胞吸收。更重要的是，TDN可以在细胞质中保持完整至少48 h，当其与额外的核定位适配体组装在一起时，可逃逸溶酶体，这是应用于药物递送和控制其在细胞中活性的重要特性。这使得TDN作为药物载体具有广阔的前景。
图1：选择性递送阿霉素至MUC1阳性乳腺癌细胞
免疫调节作用
纳米材料作为药物载体应用于生物体时，免疫系统会抵御外来颗粒的入侵。在免疫排斥的情况下，炎性细胞因子和介质的过量产生会导致严重的全身并发症，这种免疫反应大大限制了各种生物材料的体内使用。而特殊序列的TDN因具有免疫调节作用，其本身便有治疗疾病潜能。四川大学林云锋课题组使用参与先天免疫反应的RAW264.7细胞，研究TDN对细胞极化和细胞凋亡的反应，以及它们的抗炎和抗氧化应激作用，用作评估细胞对TDN反应的模型。结果证明，TDN通过抑制MAPK亚家族的磷酸化来调节巨噬细胞的氧化应激和炎症，具有抗炎和抗氧化活性。因此，TDN的免疫调节作用对于其为一种新型的治疗诊断剂具有巨大的潜力。
图2：TDN的免疫调节作用
促进组织再生作用
TDN对细胞的生物学行为有积极影响，包括促进细胞迁移、增殖和分化，具有抗炎、抗氧化、抗感染和免疫调节能力。这些特性可以促进皮肤伤口愈合，减少疤痕形成，促进血管、肌肉骨骼和神经组织的再生和修复。四川大学蔡潇潇课题组已经证明了TDN在糖尿病人伤口愈合中的显著应用。实验证明，在体内使用TDN可以通过加速血管形成、再上皮化、胶原蛋白沉积来促进糖尿病人伤口愈合。因此，TDN在伤口修复和再生领域展现出广阔的应用前景。
图3：TDN在多种组织的修复和再生中起着至关重要的作用
总结
四面体框架核酸具有稳定性强、细胞毒性低、易于修饰等特点。它们已被广泛用作生物传感器、基因载体、药物输送工具，是最有前途的DNA纳米结构之一。但是目前TDN材料的发展仍面临一些障碍。首先，高昂的合成成本可能会限制TDN在组织修复和再生中的大规模生产和大规模临床应用。其次，大多数研究是在体外或小鼠、大鼠和兔子中进行的，它们在组织形态学和病理生理机制上与人类不同。这些差异使得有必要对大型动物（如猪或灵长类动物）进行类似的研究，以进一步验证TDN的临床效果和应用。第三，长期细胞毒性是一个令人担忧的问题。寡核苷酸是可生物降解的和生物相容的，然而，当DNA被设计成纳米结构时，它们的特性可能会改变，存在未知的风险或好处，特别是在生理条件下TDN的长期细胞毒性和生物学利用度方面。因此，应进行动态和纵向的跟踪和深入研究。希望这些挑战在未来可以通过临床医生、生物学家和材料工程师之间的多学科合作来解决。TDN为未来进一步生物医学应用提供了大量机会，包括生物成像、生物传感、靶向和药物递送，是纳米医学领域新的机遇和挑战。
参考文献
[1] Lin, S., et al., Antioxidative and Angiogenesis-Promoting Effects of Tetrahedral Framework Nucleic Acids in Diabetic Wound Healing with Activation of the Akt/Nrf2/HO-1 Pathway. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020. 12(10): p. 11397-11408.
[2] Dou Y, Cui W, Yang X, Lin Y, Ma X, Cai X. Applications of tetrahedral DNA nanostructures in wound repair and tissue regeneration. Burns Trauma. 2022 Mar 10;10:tkac006. doi: 10.1093/burnst/tkac006. PMID: 35280457.
[3] Dai B, Hu Y, Duan J, Yang XD. Aptamer-guided DNA tetrahedron as a novel targeted drug delivery system for MUC1-expressing breast cancer cells in vitro. Oncotarget. 2016 Jun 21;7(25):38257-38269. doi: 10.18632/oncotarget.9431.
[4] Gao, S., et al., Tetrahedral Framework Nucleic Acids Induce Immune Tolerance and Prevent the Onset of Type 1 Diabetes. Nano Letters, 2021. 21(10): p. 4437-4446.
[5] Zhang T , Tian T , Zhou R ,et al. Design, fabrication and applications of tetrahedral DNA nanostructure-based multifunctional complexes in drug delivery and biomedical treatment[J].Nature Protocols[2023-11-06].DOI:10.1038/s41596-020-0355-z.
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