当纳米结构体用作药物输送载体时，非常需要崩解，因为一旦它们进入人体细胞，这种崩解能够促进有效载荷的有效释放。过去已经使用各种类型的刺激来分解纳米结构，例如溶酶体中的还原剂，氧化剂，ATP，葡萄糖和酸性环境。然而，由于这些先前使用的刺激物并不表示癌症，因此它们能够触发癌症和正常细胞中纳米载体的有效载荷释放。
尽管迄今为止已经开发出了多种技术用于靶向治疗，但是如今仅由核酸大分子组成的癌症生物标记触发的可崩解纳米凝胶的设计和制造仍面临挑战。最近，西北工业大学TianhuLi、Teck-PengLoh等人首次描述了智能DNA纳米凝胶的创建，其主链可以通过襟翼内切核酸酶1（FEN1）彻底分解，该酶是一种生物酶标记，在大多数癌细胞中高度过表达，但在正常癌细胞中却没有过表达。细胞内FEN1对分叉的DNA结构的催化作用导致DNA纳米凝胶发生癌症特异性分解，并控制药物在靶癌细胞中的释放。因此，该报告中介绍的全新策略可能会在设计药物载体方面开辟新天地，以消除化学治疗剂和活细胞探针对癌症风险评估，诊断和预后的不良副作用。相关论文CancerBiomarker-TriggeredDisintegrableDNANanogelsforIntelligentDrugDelivery发表在《NanoLetters》上。
另一方面，DNA修复酶是一组使用特定DNA结构作为底物的酶，负责恢复细胞中非规范和化学损伤的DNA结构。由于其在癌细胞中的特征性过表达，过去已将各种DNA修复酶鉴定为癌症生物标志物。襟翼结构特异性核酸内切酶1（FEN1），例如，在双链DNA断裂过程中，长补片碱基切除修复和微同源性介导的末端连接途径中起着关键作用。已经发现该酶被上调，并且最近被鉴定为乳腺癌，前列腺癌，胃癌，胰腺癌和肺癌以及成神经细胞瘤的诊断生物标志物。在分子水平上，FEN1结合由聚合酶β产生的5襟翼分叉的DNA结构，并进一步在襟翼的分支点切割磷酸二酯键，这种作用导致襟翼节段与双链体DNA永久分离（图1a）。在尝试创建癌症生物标记物响应性纳米结构的尝试中，作者分别选择了DNA纳米凝胶和FEN1作为纳米结构和癌症生物标记物的代表（图1b）。
图1.FEN1基质结合的DNA纳米凝胶的设计，制造和结构确认。
FEN1基质结合的DNA纳米凝胶在无细胞系统中的崩解
在研究中进行了三种不同类型的测试，以通过FEN1在无细胞系统中的催化作用来验证DNA纳米凝胶的可崩解性质（图2a）。首先，图2b中的AFM图像显示DNA纳米凝胶2在与FEN1孵育4小时后会断裂。其次，进行荧光光谱检查以监测DNA纳米凝胶和FEN1的反应混合物中荧光强度的增加。在FEN1作用之前，荧光团（Cy3）由于其在DNA纳米凝胶2中的紧密距离而被暗淬灭剂（BHQ-2）淬灭。一旦FEN1在这些DNA纳米凝胶Cy3的5瓣结构的分支点处裂解磷酸二酯键。修饰的DNA片段将离开BHQ-2，这一过程反过来会导致荧光信号重新开始。如图2c所示，当FEN1的浓度达到1nM时，荧光信号增加了5倍。在固定FEN1浓度的单独研究中，DNA纳米凝胶的荧光强度随着反应时间的增加而增加（图2d）。第三，进行电泳分析以检查DNA纳米凝胶的分子量变化。如图2e所示，这些酶均无法从DNA纳米凝胶中恢复足够量的荧光信号。此外，在将谷胱甘肽，过氧化氢，ATP，葡萄糖和酸性缓冲溶液分别与DNA纳米凝胶2混合后，它们都不引起Cy3信号的恢复（图2f）。
图2.在无细胞系统中，FEN1对嵌入荧光团和猝灭剂的FEN1底物结合的DNA纳米凝胶（DNA纳米凝胶2）进行了特定的分解。
FEN1基质结合的DNA纳米凝胶在活细胞中的解体MCF-7是一种人类乳腺癌细胞系，其中癌症生物标记物FEN1高度过量表达。为了研究DNA纳米凝胶对细胞内FEN1的反应性，DNA纳米凝胶2（嵌入荧光团和淬灭剂，如图2a）所示，将FEN1基质结合的DNA纳米凝胶与MCF-7细胞孵育，然后进行共聚焦显微镜检查。如图3a所示，经DNA纳米凝胶2处理的MCF-7细胞在其共聚焦显微镜图像中显示出明显高的荧光强度。这些观察结果表明，通过FEN1的催化作用，DNA纳米凝胶2的分解发生在最初设计的活MCF-7细胞内部。如图3b所示的共焦图像中所示，从DNA-纳米凝胶3处理的MCF-7细胞中没有观察到可检测到的荧光信号。
与正常细胞相比，载药的DNA纳米凝胶在癌细胞中的优先崩解
为了实现靶向细胞的药物递送，构建了DNA纳米凝胶4，该DNA纳米凝胶4与DNA纳米凝胶1相同，只是在其内部结构中封闭了抗癌药阿霉素（DOX）。随后，在存在DNA纳米凝胶4的情况下对乳腺癌细胞MCF-7进行了活力分析（如图4a所示）。如图4b的第3组所示，经DNA纳米凝胶4处理的MCF-7癌细胞显示出极低的存活率（细胞活性，20.2％；蓝色条形）。
图4.负载抗癌药物的DNA纳米凝胶对乳腺癌细胞和乳腺癌正常细胞的细胞毒活性比较。
DNA纳米凝胶作为诊断工具对FEN1进行细胞探测如图5a所示，乳腺癌正常细胞MCF-10A与DNA纳米凝胶2孵育后，荧光量可忽略不计，这证实MCF-10A中FEN1的低丰度无法使DNA纳米凝胶崩解而产生可检测量的Cy3的荧光信号。与正常细胞相反，乳腺癌细胞MCF-7在用DNA纳米凝胶2培养后显示出显着的高荧光信号（图5b），这一观察结果与乳腺癌细胞中FEN1的丰度高有关。癌细胞。此外，通过使用小型干扰RNA诱导的基因沉默方法，从MCF-7细胞制备了FEN1基因沉默的MCF-7细胞。如图5c所示，与DNA纳米凝胶2孵育后，FEN1基因沉默的MCF-7细胞显示出微不足道的荧光，这证实了这些细胞中细胞内FEN1的丰度很低。因此，研究表明DNA纳米凝胶2可以作为敏感的活细胞探针，用于诊断这些乳腺癌细胞变体中FEN1的丰度变化。
图5.通过使用荧光团和淬灭剂嵌入的DNA纳米凝胶诊断细胞内FEN1。
总结：尽管如今可以操纵纳米结构的形状，大小和形态，但迄今为止仍无法在分子尺度上精确地控制其内部框架。在当前的研究中，通过使用DNA序列作为构建基块，首次设计和制造了纳米结构，该结构将细胞酶的功能性底物保持在其内部结构中。从理论上讲，这项工作中确立的新原理可以在将来用于发明更复杂的纳米结构，以在活细胞中执行非常复杂的活动。另外，抗癌药对正常组织细胞的细胞毒性作用阻碍了该药以足够高的剂量用于癌症治疗。当在研究中精心设计了癌症生物标记物FEN1-分解的DNA纳米凝胶作为抗癌药物载体时，作者发现这些载体对正常细胞的细胞毒性作用最小，而对癌细胞的细胞毒性很高。预期新开发的癌症生物标志物激活策略将为消除抗癌药物的不良副作用带来新的前景，从而进一步治疗癌症。此外，在研究中创建了全新的荧光团和淬灭剂嵌入的DNA纳米凝胶，并证实了这些纳米结构是用于确定不同类型的乳腺癌活细胞中癌症生物标记FEN1丰度的高效探针。预计，这些癌症生物标志物的接通方法可能会在设计用于检测细胞生物标志物丰度变化的诊断探针方面取得新的进展，以用于抗癌药的药代动力学评估，癌症预后和癌症风险评估。
参考文献：
doi.org/10./acs.nanolett.0c
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