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DNA纳米结构在药物转运载体和智能载药中的应用进展

2017-07-12赵彦郭琳洁代江兵李茜李迪

分析化学 2017年7期
关键词:评述

赵彦++郭琳洁++代江兵++李茜++李迪++王丽华+��

摘要纳米材料具有荷载效率高、靶向性能好、半衰期较长等优点, 非常适于作为药物转运载体, 可有效提高药物的水溶性、稳定性和疾病治疗效果。目前, 开发具有良好生物相容性、可控靶向释放能力和精确载药位点的理想药物转运载体, 仍是该领域存在的挑战性问题和当前研究的重点。自组装DNA纳米结构是一类具有精确结构、功能多样的纳米生物材料, 具有良好的生物相容性和稳定性、较高的膜渗透性和可控靶向释放能力等优点, 是理想的药物转运载体和智能载药材料。本文总结了DNA纳米结构的发展历程、DNA纳米结构作为药物转运载体的研究现状、动态DNA纳米结构在智能载药中的应用进展, 并对其发展前景进行了展望。

关键词DNA纳米结构; 药物转运载体; 智能载药; 评述

1引 言

肿瘤的治疗是复杂的系统工程, 以化疗和放疗为主要手段。传统小分子化学药物治疗效果好, 但存在水溶性差、生物利用度低、毒性强等缺点, 需要大剂量给药, 给病人带来很大的毒副作用\[1\];新颖的蛋白和核酸类药物, 在肿瘤治疗中表现出很好的效果和极大的潜力, 但价格昂贵、稳定性差、不易被细胞摄取\[2\]。因这些药物的生物利用度差, 所以对其运输方式提出了新要求。发展新颖和有效的药物转运载体技术, 提高药物的治疗效果, 已成为近年来生物学和医学研究的热点。

常用的药物转运载体主要是脂质体\[3\]和阳离子树状聚合物\[4\]等高分子类载体。近年来, 多种无机纳米材料, 如纳米金\[5~7\]等, 被大量用于转运反义RNA\[8\]、小干扰RNA\[9\]和抗癌药物\[10\]的研究。然而, 這些载体具有内在细胞毒性\[11\], 装载药物的种类和数量不可控, 可控靶向释放能力较差\[12\]。理想的药物转运载体应满足以下条件:(1) 能够保护药物免于被降解, 同时保留药物分子的生物学活性;(2) 可以改善药物的水溶性, 降低毒性、免疫原性及其它副作用;(3) 能穿透生物膜屏障, 例如细胞膜、内质网膜等;(4) 可以同时转运多种药物分子;(5) 具备智能转运能力, 如靶向可控药物释放等。

近十几年来, 结构DNA纳米技术蓬勃发展, 为构建高效药物载体提供了新思路。DNA是自然界中组成生物的遗传材料, 具有天然的生物相容性。由DNA经碱基互补配对形成的自组装DNA纳米结构, 是一类具有精确结构和尺寸的纳米生物材料, 同时具备多个化学反应位点、手性性质等特点, 在众多领域都有广泛的应用前景\[13\]。研究表明, DNA纳米结构能以极高的效率进入细胞, 这为DNA纳米结构应用于药物转运载体奠定了基础\[14\]。

本文首先回顾了DNA纳米技术的发展历程, 介绍基于DNA纳米结构的新型药物转运载体研究现状, 对于动态DNA纳米结构在智能药物载体中的应用进展进行评述, 并对其发展前景进行了展望。

2DNA纳米技术和自组装DNA纳米结构的发展历程

自1983年Seeman设计第一个四臂核酸交叉结构(图1A)以来\[15\], 研究者意识到DNA不仅是生命的密码, 更能作为生化模块, 自下而上构建纳米世界。自此, 基于WastonCrick碱基互补配对的多种自组装DNA纳米结构纷纷面世, 结构DNA纳米技术得到快速发展并获得广泛应用。

在结构DNA纳米技术发展初期, 所合成的结构仅是数条DNA单链通过碱基互补配对形成的交叉和拓扑结构, 例如由等摩尔DNA单链混合得到的单交叉点多分支结构\[16\](图1B)。这一类型的组装可以形成二维或三维结构, 然而其大小难以控制且机械强度不足。1993年, Seeman研究组设计的多交叉结构\[17\]有效解决了这一问题, 例如双螺旋结构域之间的多个交叉位点可以形成坚固的平面结构\[18\]。此后, 采用多链碱基配对的方法合成了大量三维多面体结构, 如四面体\[19\](图1D)。

通过上述结构基元的粘性末端杂交, 可以进一步合成高阶周期性结构, 包括树枝状DNA\[20\](图1E)、水凝胶\[21\]、DNA晶体\[18\](图1F)等。然而这些通过基元粘性末端杂交构建的超结构具有一定局限性, 例如合成耗时, 需精确控制DNA单链化学计量比, 并且所用的基元纯度要求高, 结构的复杂性有限。为了解决这些问题, Ke等采用不同的单链基元取代多链基元合成了复杂的三维纳米结构\[22\]。

2006年, Rothemund设计的DNA折纸\[23\]开辟了DNA纳米技术的新纪元。DNA折纸以一条长DNA骨架单链为基础, 在数百条订书钉链的帮助下折叠成所需结构。典型的DNA折纸有二维平面折纸\[23\](图1G)、三维曲率折纸\[24\](图1H)和不对称折纸\[25\](图1I)。由于多条订书钉链与骨架链相互作用, 因此不需要严格控制化学计量比, 从而大大提高了组装效率。更重要的是, 这种方法可以构建具备分子尺度可寻址性的复杂纳米物体。

目前, 这种精确构建的DNA纳米结构已在多个领域应用, 例如DNA管状纳米结构可作为模板诱导蛋白质排布, 进而用于蛋白质结构的核磁共振分析\[26\];二维DNA纳米结构可以位点特异性地固定生物分子探针, 用于制备纳米传感阵列\[27\]。此外, DNA纳米结构可用于制备磷脂膜通道和生物反应器\[28\];还可作为模板, 用于构建质子化结构, 在纳米设备中引导和转换光路\[29\]。本文重点综述DNA纳米结构作为药物转运载体应用的相关研究。

3DNA纳米结构与细胞的作用过程

DNA纳米结构作为一种药物载体, 其与细胞的相互作用直接影响药物的治疗效果。DNA纳米结构在细胞内能够稳定存在是其发挥作用的前提条件, 而高摄取效率则可以保证其能载带足量的药物分子进入细胞内发挥作用。DNA纳米结构进入细胞的过程和进入细胞后, 均涉及一系列复杂的生理过程, 与稳定性、作用模式、运动模式等多个因素密切相关。

3.1DNA纳米结构在生理条件下的稳定性

DNA纳米结构作为药物转运载体功能的实现, 极大依赖于其在细胞内外环境中的稳定性。DNA纳米结构必须维持足够长时间的稳定性, 才能发挥其预期功能。Surana等\[30\]通过荧光实验, 研究了不同DNA纳米结构在细胞内的稳定性, 他们发现, DNA纳米结构的灵活性可避免其与核酸酶接触, 从而避免被核酸酶降解。Keum等\[31\]的研究表明, DNA四面体在10%胎牛血清(Fetal bovine serum, FBS) 中能够在42 h内维持结构的稳定性。Mei等\[32\]的研究表明, DNA折纸在细胞裂解液中能维持其结构和功能的稳定。Walsh等\[33\] 的研究表明,DNA纳米结构在细胞内吞48 h后仍保持结构完整。Shen等\[34\]发现DNA折纸完全降解大约需要60 h。这些研究均证明DNA纳米结构在复杂生理条件下具备足够的稳定性, 能够作为药物载体得到应用。

3.2DNA纳米结构与细胞膜的相互作用

细胞膜是DNA寡核苷酸的天然屏障, 由于细胞膜带负电荷, 一般的DNA单链和双螺旋等很难透过膜进入细胞内部。然而最近研究表明, DNA纳米结构能以极高的效率自由进入细胞\[33\]。造成这一区别的原因在于, 简单的DNA由于表面负电荷的排斥作用, 难以靠近细胞膜;而DNA纳米结构虽然带有负电荷, 但其独特的纳米尺寸特性使其可以通过内吞作用(包括胞吞和胞饮作用)进入细胞内部, 这一过程是能量依赖的主动运输过程, 而非简单扩散。2011年, Turberfield和 Fan的研究组都发现, DNA纳米结构可不依赖转染试剂进入细胞, 并且证明了是细胞的内吞作用介导了这一过程\[33,35\]。随后, Liang等\[36\]利用单颗粒追踪技术揭示了DNA四面体进入Hela细胞的途径, 发现四面体通过网格蛋白介导的胞饮途径进入溶酶体。他们还发现DNA纳米结构的形状和尺寸都会影响细胞的摄取效率, 长宽比较大的结构更易被细胞摄取\[37\]。

3.3DNA纳米结构在细胞内的去向

DNA纳米结构进入细胞后的运动过程和在细胞内的最终去向等相关研究尚处于起步阶段, 还存在争议。目前主要存在两种观点, 一种认为DNA纳米结构的最终去向是溶酶体, 另一种则认为细胞质是它们的终点。Zhao等\[38\]构建了阿霉素(Doxorubicin, Dox)和DNA纳米结构的复合物, 该复合物在内吞体内缓慢降解, 同时缓慢释放Dox进入细胞质, 最后进入细胞核。這一过程展示了DNA纳米结构在细胞内沿内吞体溶酶体途径的运输过程。Tay等\[39\]发现在四面体上修饰特殊分子信标后, 可以使四面体分布在细胞质中, 而非进入溶酶体。 Charoenphol等\[40\]构建了核酸适配体DNA纳米结构复合物, 该复合物可通过胞饮途径进入癌细胞, 随后逃脱内吞体溶酶体而免于被降解, 但是, 该复合物仍旧进入正常细胞的内吞体并被降解。

3.4溶酶体逃逸

DNA纳米结构能够在溶酶体的酸性环境中发生降解、构象变化等反应。对于纳米药物而言, 尽管溶酶体中的酸性环境有利于药物分子从DNA纳米结构中释放, 然而由于多数药物的作用靶点不在溶酶体, 药物分子在溶酶体中释放会导致药物无法被运输到靶点, 影响药物的作用效果。溶酶体逃逸的路径包括胞饮作用和非吞噬作用的摄取过程(如小窝蛋白介导的内吞途径), 这两种方式都可避免DNA药物载体和药物被溶酶体降解\[41\]。2014年, Liang等\[36\]在DNA四面体上修饰核定位序列(Nuclear localizaiton signals, NLS), 从而引导四面体逃脱溶菌酶,进入细胞核。此外, Chen等\[42\]合成了长度为0.5~1.5 μm的纳米带, 由于其尺寸超过溶酶体, 使得部分结构突出溶酶体, 最终实现溶酶体逃逸。

4静态DNA纳米结构在药物转运载体中的应用进展

基于受外界刺激时能否发生明显的形态改变, DNA纳米结构可大致分为两类:静态DNA纳米结构和动态DNA纳米结构。本部分文将总结静态DNA纳米结构在药物转运载体中的应用进展。

4.1转运化疗药物

20世纪以来, 能够快速杀死癌细胞的化疗药物成为临床治疗癌症的首选。传统的化疗药物具有毒副作用大、选择性低、易在肝肾等部位富集的缺陷。化疗药物中研究较多的Dox在实验室和临床研究中都易引发多药抗性\[43\], 极大限制了它的应用。

Dox通过嵌入DNA双链, 干扰大分子生物合成, 从而抑制癌细胞生长。使用DNA纳米结构载带Dox, 对提高Dox药效、降低副作用, 并克服细胞抗药性, 具有重要意义\[44\]。

Jiang等使用DNA折纸作为Dox载体(图2A), 获得了极高的Dox荷载效率, 同时发现该DoxDNA折纸复合物不但对人乳腺癌细胞(MCF7)具有毒性, 也对Dox抗性癌细胞具有杀伤效果\[45\]。DNA折纸增加了细胞对Dox的内吞效率, 从而显著提高了对Dox抗性癌细胞的杀伤效果。Zhao等\[38\]设计两种DNA纳米结构载带Dox杀伤3种癌细胞(图2B), 这两种结构的不同扭曲程度造成了嵌入DNA双螺旋的Dox数量有差异。他们发现, 通过调整DNA纳米结构的构型, 可以调节Dox装载效率和药物释放动力学;与游离Dox相比, DoxDNA纳米结构的细胞毒性明显提高, 并且清除效率下降。

4.2转运功能核酸

功能核酸包括核酸适配体(Aptamer)、反义寡核苷酸、小干扰RNA (siRNA)、microRNA等具有特殊功能的核苷酸序列, 在疾病的诊断治疗中广泛应用。由于载体与药物均为核酸, 可以便捷地通过核酸杂交或嵌入的方式实现药物分子的载带。

4.2.1转运CpG (CytosinePhosphateGuanosine)寡核苷酸CpG寡核苷酸序列广泛存在细菌基因组中, 少量存在于哺乳动物基因组中, 是诱导固有免疫和获得性免疫应答的活化剂。它被视为病原菌入侵免疫系统的信号, 被TLR9 受体(Tolllike receptor 9)识别后诱发免疫反应\[46\]。CpG寡核苷酸序列可用于传染病、癌症、过敏和哮喘的免疫治疗。由于天然的CpG序列易被核酸酶降解, 因此开发无毒且具有高转运效率的纳米载体, 對于提高CpG的稳定性和临床治疗效果具有重要意义\[47\]。

Li等\[35\]将多个CpG连接在DNA四面体纳米结构的边链上, 实现了CpG序列的多价载带 (图3A)。这是DNA纳米结构用于CpG载体的首例报道。这种尺寸<10 nm的三维DNA纳米结构具有机械稳定性高、无毒且抗核酸酶降解的特性, 在血清和活细胞中能保持数小时的稳定性, 细胞对其摄取量也远高于单链DNA。由CpGDNA四面体刺激产生的细胞因子远多于单链CpG序列。由于DNA四面体可以载带多个CpG (1~4), 这种价态可控的组装对于精确调整药物剂量具有重要意义。之后, Schueller等\[48\]设计了可以连接62个CpG序列的30螺旋DNA纳米管 (图3B), Mohri等\[49\]设计了多分支DNA纳米结构。这些DNA纳米结构都能提高CpG载带量, 从而更明显地诱导免疫反应, 说明DNA纳米结构可以作为免疫治疗的良好载体。

4.2.2转运小干扰RNA(siRNA)RNA干扰对多种基因疾病的治疗有重要意义。siRNA通过与细胞内mRNA互补, 从而阻碍mRNA翻译成蛋白。选择合适的siRNA序列, 可以靶向抑制癌细胞内某些关键基因的表达, 导致细胞死亡。缺乏安全有效的运载体是制约siRNA应用的关键瓶颈\[50\]。Lee等利用DNA四面体作为siRNA的载体(图3C), 可以使癌细胞内某些基因沉默, 四面体上修饰的叶酸分子能够促进RNA干扰的过程\[50\]。同时, 他们发现, 利用四面体载带的siRNA在血液中循环的时间更长。该结果表明, DNA纳米结构可以提高RNA分子的稳定性, 从而显著提升RNA干扰效率。

4.3转运蛋白质

包括疫苗、免疫球蛋白和酶\[51\]在内的多种多肽和蛋白都可作为药物, 因其易降解且膜穿透性差, 现在仍旧缺少合适的给药方式。多肽和蛋白与DNA纳米结构有多种偶联方式, 如EDC/NHS反应\[52\]、“点击”化学\[53\]、生物素亲和素连接\[25\]、DNA和蛋白的直接作用\[54\]。目前, 已经能够实现将蛋白特异性地组装在DNA纳米结构的某个位点上, 从而用于构建蛋白阵列或用作生物传感\[52,55\]。

Yan研究组报道了利用DNA四面体构建纳米疫苗的方法\[56\]。通过生物素亲和素的特异性结合, 生物素修饰的DNA四面体将一种链霉亲和素的模式抗原载入小鼠体内。该四面体抗原复合物能在小鼠体内持续稳定地诱导较强的抗体应答, 而单独四面体或抗原并不会刺激产生任何免疫反应。代谢活化蛋白(Catabolite activator protein, CAP)是一种重要的转录因子, 可对百余种基因进行调控。最近, Turberfield研究组通过在DNA四面体边链上设计CAP识别位点, 将CAP以非共价的方式组装到四面体内部\[54\], 为DNA蛋白的组装方式提供了范本。

4.4协同转运多种药物分子

基于协同效应共同转运多种药物分子, 可以加强治疗效果。例如在癌症化疗和免疫治疗中, 免疫刺激剂常被用作协助其他药物的佐剂\[57\]。

Nishikawa等\[58\]设计的DNA水凝胶含有免疫刺激功能的CpG序列, 可以实现共同转运Dox和CpG序列。DNA水凝胶中的CpG可以刺激免疫细胞分泌抑癌细胞因子, 同时, 释放出的Dox可以直接杀死癌细胞。Dox/CpG体系已被证实可以成功杀死与RAW264.7细胞共培养colon26/Luc细胞, 为DNA纳米结构的协同治疗提供了很好的范例。Liu等\[56\]利用DNA四面体共转运CpG和链霉亲和素(作为模式抗原)(图4A)。CpG序列因具有较强的免疫刺激活性, 可以作为增强疫苗功效的佐剂, 因而抗原CpGDNA复合物可以持续诱导更强的免疫应答。最近, Fu等\[59\]将葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase, GOX)和辣根过氧化物酶(Horseradish peroxidase, HRP)共组装到平面和管状DNA折纸上(图4B)。这两种酶之间存在级联催化反应, 第一个催化反应的产物作为第二个反应的底物, 反应效率与酶分子间的距离密切相关。当将两者固定在DNA纳米管上, 级联活性明显提高, 甚至超过在细胞内有限环境的作用效果。这为构建细胞内纳米反应器提供了新思路。

5动态DNA纳米结构在智能载药中的应用进展

智能载药, 意味着药物转运载体在靶向位点, 受特殊条件的触发而释放药物分子。这些特殊条件, 包括癌细胞较低的pH值、特异性酶、外源DNA链、离子和质子等\[60~63\]。动态DNA纳米结构可受上述条件的触发, 发生形态变化。使用动态DNA纳米结构载药可以实现先靶向癌细胞再释放药物分子, 从而降低对正常细胞和组织的毒副作用, 提高药物的治疗效果, 因此具有更好的应用前景。目前, 已有多种动态DNA纳米结构被成功用于智能载药和药物可控释放。

5.1DNA四面体纳米结构

DNA四面体纳米结构是由多条DNA单链, 经碱基互补配对形成的纳米笼形结构。这种三维纳米结构具有较高的机械刚性、抗酶降解性和良好的细胞穿透能力。

DNA四面体边链可嵌入刺激应答的功能核酸序列, 例如适配体(Aptamer)、imotif结构或DNA酶等, 使静态DNA四面体具备动态的结构可变性。Pei等\[64\]设计了一条或多条边链嵌入抗ATP aptamer的动态DNA四面体纳米结构(图5A)。边链与ATP结合后能够诱导四面体构象变化, 进而改变标记荧光对(Cy3和Cy5)的荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer, FRET)效率。该结构进入细胞后, 可作为监测细胞内ATP水平的感受器。Ge等\[65\]基于这一结构, 在四面体的一条边上嵌入了响应质子的imotif结构;随后, Zhu等\[66\]设计了固定在界面上的DNA四面体纳米泵(图5B), 随着溶液pH值变化, 四面体结构发生扩张或压缩, 模拟水泵的泵入和泵出的过程。该质子驱动的纳米器械在溶液环境中实现了水分子和铁氰化物的泵入泵出, 在可控药物释放研究中具有良好的应用前景。

5.2DNA折纸

DNA折纸具有的高度空间可寻址性和较高产率, 为构建精确可调控的纳米结构提供了良好的平台。 Andersen等用DNA折纸设计了可开闭的DNA纳米盒子(图5C), 利用外源DNA作为打开盖子的“钥匙”, 通过设计在盖子和盒子上的FRET荧光分子对之间的荧光响应来监测DNA纳米盒子的打开过程\[67\]。受这一结构的启发, Douglas等\[68\]设计了DNA六边形桶状結构(图5D), 利用位于结构一端的两个适配体触发的开关可将桶状结构打开, 暴露内部位点。他们将抗体以较高的效率组装在结构内, 当桶状结构打开后, 抗体可与细胞表面受体结合, 进而抑制癌细胞生长。

5.3其它结构

Zhou等设计了一个剪刀状DNA纳米结构\[69\], 通过可逆构建和破坏蛋白与两配体之间的二价相互作用, 调控结构与蛋白分子的结合亲和力(图5E)。当两配体处在合适的距离范围, 该结构可与蛋白分子紧密结合;两配体之间距离增大会破坏这种二价结合, 释放蛋白。“捕获释放”的循环过程可由单链DNA驱动。该结构被认为是智能纳米载体的原型。

DNA纳米结构作为药物转运载体可以实现小分子药物的靶向转运、可控释放, 并具有极好的生物稳定性和相容性。然而, 目前的进展基本限于实验室基础研究, 在临床应用方面进展缓慢。主要原因是:所使用的药物分子主要通过非共价键的DNA药物分子的相互作用进行连接, 导致稳定性不佳, 同时无法准确定量;高纯度大规模合成DNA纳米结构仍存在一些技术难题, 制约了其在临床中的进一步应用。

6展 望

本文综述了DNA纳米技术的发展历程, 展示了静态DNA纳米结构用于药物转运载体, 及动态DNA纳米结构用于智能载药的研究进展。将小分子和蛋白药物装载到DNA纳米结构中解决了某些药物分子易降解、水溶性差和滞留时间短等问题;利用DNA纳米结构转运核酸是领域交叉产生的新理念, 基于药物分子和载体之间的相容性和同源性, DNA纳米结构为核酸药物的转运提供了一个无可比拟的平台;以动态DNA纳米结构为基础的智能载药系统, 实现了药物分子在靶向位点的可控释放, 显著提升了药效, 降低了副作用。

目前, 利用DNA纳米结构作为药物载体也存在一些缺点, 如DNA纳米结构合成产率不高、产量低、费用高, 为解决这一问题, 研究者发展了凝胶电泳、高效液相色谱、密度梯度离心等纯化方式, 在一定程度上提高了产物纯度; 又如细胞摄取DNA四面体的详细机制仍不明确, 最新的研究结果表明, DNA纳米结构的尺寸、形状、带电荷数及细胞的种类都会影响它们的细胞摄取、胞内转运及最终去向\[70\]。

DNA纳米结构对小分子药物的转运研究多集中于Dox, 而Dox作为一种DNA嵌入剂难以精确控制载带数量, 且与DNA结合稳定性低。将DNA纳米结构的可寻址性与共价载药方式相结合, 能够实现载药剂量的精确可控, 对临床应用具有重要意义。由于机体内环境非常复杂, 且DNA纳米结构在体内低离子浓度条件下是否能维持较长时间的稳定性尚未有定论, 目前智能载药的研究仅限于体外, 尚未涉及细胞和活体应用。

DNA纳米结构作为药物转运载体的活体应用, 将是未来研究的主要目标之一。进一步提升DNA纳米结构的产率、探索DNA纳米结构的摄取机理,是目前存在的主要挑战性问题。随着相关研究的不断深入, DNA纳米结构在药物转运载体及智能载药的应用中将具有更广阔的发展前景。

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