DNA納米生物技術(shù)用于核酸遞送的研究中取得新進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心李樂樂課題組在DNA納米生物技術(shù)用于核酸遞送的研究中取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果“Engineering Multifunctional DNA Hybrid Nanospheres through Coordination-Driven Self-Assembly”于12月20日以Hot Paper發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem., Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201810735）。

作為一種功能性生物大分子，DNA已被廣泛用于分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和疾病治療。由于DNA難以穿過細(xì)胞膜且易被降解，如何實現(xiàn)DNA有效遞送成為該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。目前，研究人員開發(fā)了各種類型的納米載體（例如：高分子膠束、脂質(zhì)體、無機(jī)納米粒子），以實現(xiàn)體外和體內(nèi)核酸遞送，但面臨著制備困難、效率低和安全性差的問題。近年來，DNA納米技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并在核酸及小分子藥物遞送方面展現(xiàn)出巨大的潛力。DNA自組裝納米結(jié)構(gòu)主要包括：Ned Seeman團(tuán)隊發(fā)展的瓦塊 (tile) 自組裝，Paul Rothemund博士發(fā)明的DNA折紙術(shù)（DNA origami），以及Chad Mirkin課題組發(fā)展的球形核酸（spherical nucleic acids）。然而，這些方法往往需要使用大量預(yù)先設(shè)計的不同序列的核酸鏈進(jìn)行組裝或者對核酸特定位點進(jìn)行修飾及表面功能化，如此復(fù)雜的合成方法阻礙了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，發(fā)展簡單、高效的組裝方法以構(gòu)建多功能DNA納米結(jié)構(gòu)仍然是DNA納米技術(shù)領(lǐng)域的一大難題。

李樂樂課題組受傳統(tǒng)金屬-有機(jī)配位化學(xué)的啟發(fā)，首次提出利用金屬配位驅(qū)動自組裝構(gòu)建DNA納米結(jié)構(gòu)的新概念，發(fā)明了一種自組裝合成DNA納米結(jié)構(gòu)的新方法學(xué)，構(gòu)建了一類新型DNA納米材料——金屬-DNA納米結(jié)構(gòu)，并表明該體系可用于細(xì)胞及活體水平高效核酸遞送。重要的是，該方法非常簡單，只需要將DNA分子和金屬離子（亞鐵離子）在一定的溫度下于水中混合，即可快速、高產(chǎn)率地獲得具有球形形貌的金屬-DNA納米結(jié)構(gòu)。而且，通過調(diào)節(jié)DNA分子和金屬離子的比例及濃度，可以精準(zhǔn)調(diào)控金屬-DNA納米結(jié)構(gòu)的尺寸和組分。研究人員已將該金屬-DNA納米結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于核酸藥物遞送。研究表明，作為新穎的、無載體的核酸遞送系統(tǒng)，金屬-DNA納米結(jié)構(gòu)可將核酸藥物有效地遞送到不同的細(xì)胞中，并且在體外和體內(nèi)均發(fā)揮高效的生物識別和藥效作用。該工作展示了金屬配位驅(qū)動的自組裝在合成DNA納米材料方面的潛力，為DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建開辟了新的方法學(xué)。相比于快速興起和發(fā)展的金屬-有機(jī)框架材料(MOFs)，研究人員相信該類金屬-DNA納米材料將會極大地推進(jìn)DNA納米生物技術(shù)和金屬配位化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。此外，該方法將有助于設(shè)計多功能生物材料，應(yīng)用于生物傳感、生物成像和藥物/基因遞送。

該工作是李樂樂課題組在前期研究（J. Am. Chem. Soc. 2018. 140, 578-581；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13804-13810；Adv. Mater. 2018, 1804745）的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。該研究得到國家人才計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。