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基于DNA的纳米材料在肿瘤治疗领域的研究进展

  • 陈烨 1,2
  • 尹骏 1,2
  • 姚文兵 1,2
  • 高向东 1,2
1. 中国药科大学江苏省生物药物成药性研究重点实验室，南京 210009； 2. 中国药科大学生命科学与技术学院，南京 210009

中图分类号： R944

最近更新：2020-09-17

DOI：10.11665/j.issn.1000-5048.20200404

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摘要

肿瘤治疗药物通常存在水溶性差、靶向性低、稳定性差、不易被肿瘤细胞摄取等不足，开发一种理想的药物递送载体仍是肿瘤治疗领域亟待解决的重要问题。由于具有良好的序列可编程性、生物相容性和生物可降解性，基于DNA的纳米材料已被广泛用作肿瘤治疗的药物递送载体。大量研究表明，DNA纳米材料可以有效装载肿瘤治疗药物，实现肿瘤组织靶向递送、高效细胞摄取与刺激响应性药物释放。本文从DNA纳米技术的历史与发展入手，例举DNA纳米材料作为药物递送载体在化疗、基因治疗、免疫治疗和光动力疗法中的应用进展，并对其未来发展进行展望，以期为该领域其他研究工作者提供参考。

目前，肿瘤导致的死亡在发达国家中占比21%，在发展中国家占比9.5%，且呈逐年上升趋势，肿瘤已成为全球第二大死因[

1]。化疗是最成熟的肿瘤治疗方法之一，但一般的化疗药物缺乏肿瘤靶向能力，通常会引起强烈的不良反应。同时，基因治疗、免疫治疗与光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）作为新兴的肿瘤治疗手段正处于快速发展阶段。基因治疗通常涉及到反义寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）、小干扰RNA（small interference RNA，siRNA）和微小RNA （microRNA，miRNA）[2-4]，可用于治疗肿瘤、神经退行性疾病和血友病等一系列疾病。在免疫治疗中，含有非甲基化CpG序列的寡核苷酸（CpG ODN）是一类具有免疫调节作用的DNA序列，可以作为外源性抗原刺激机体免疫系统，通过产生抑制肿瘤细胞增殖的细胞因子对肿瘤进行治疗[5]。但siRNA等基因治疗药物与CpG ODN等免疫治疗药物均存在不易被细胞摄取、血清稳定性差等问题，导致疾病的治疗无法取得理想的效果[6-7]。PDT包含光敏剂、光照与氧三要素，可有效治疗肿瘤、心血管疾病、皮肤病与眼科疾病[8]。但典型的光敏剂具有较强的疏水性，在水溶液中易聚集，严重影响治疗效果。因此，开发理想的药物递送载体，保护药物免受酶类降解并实现高效靶向递送具有至关重要的作用。

理想的药物载体需具备以下特性：（1）在血清等生理环境中保持稳定，并保护所载药物免于降解；（2）可以通过共价连接、非共价连接等方式装载一种或多种药物；（3）可以靶向递送至肿瘤组织并被肿瘤细胞成功摄取；（4）可以响应近红外光等外部刺激、肿瘤微环境与溶酶体内较低的pH、细胞质高浓度谷胱甘肽等内部条件特异性释放药物；（5）具有良好的生物相容性，可以在完成药物递送后被降解与清除。

DNA纳米材料作为近年来新兴的药物递送载体，具有良好的序列可编程性、生物相容性与生物可降解性，在肿瘤治疗领域具有光明的前景。DNA纳米材料能够有效装载多种药物，在某些功能元件的帮助下实现肿瘤部位靶向递送，提高细胞摄取效率并实现刺激响应性药物释放，在提高药物抗肿瘤活性的同时降低对正常组织器官的损伤。

本文从DNA纳米技术的历史与发展入手，例举DNA纳米材料作为药物递送载体在化疗、基因治疗、免疫治疗和光动力疗法中的应用进展，并对其未来发展进行展望，以期涉及多学科研究领域的DNA纳米材料蓬勃发展，并最终使更多患者受益。

1 DNA纳米技术

DNA作为遗传信息的载体，在调节生物体的生物学功能中发挥至关重要的作用。在发现DNA双螺旋结构近30年后，1982年，Seeman[

9]提出DNA可以基于Watson-Crick碱基配对原则构建精确有序的多功能纳米结构，为DNA纳米技术领域的发展奠定了基础。通过合理的设计，DNA分子能够自组装成各种尺寸与形状的2D或3D纳米结构。随着纳米技术的飞速发展，DNA已被广泛应用于纳米材料领域，并在近几十年引起了人们的广泛关注。

1.1　DNA Tile自组装

纳米结构的制造方法包括自上而下和自下而上两种。自下而上的制备方法通常是将小的、简单的成分结合在一起以形成大而复杂的结构，这种方法制备的结构具有良好的可预测性。在过去的30年里，自下而上制备DNA纳米结构的方法快速发展，其中DNA Tile自组装是最先发展起来的一种策略，成为DNA纳米技术领域中不可或缺的一部分。Tile自组装制备的DNA结构由一组短的、人工合成的单链DNA组装而成，这些DNA链经过合理的设计可在指定部位相互杂交（图1-A），组装成DX（double crossover）tiles、TX（triple crossover）tiles、点星图样等结构，随后进一步相互结合，组装成大型复杂纳米结构[

10]。

Figure 1 Introduction of DNA nanotechnology

注：

A: Self-assembly of four-armed junctions[

16]; B: Schematic illustration of the principles of RCA[11]; C: Schematic illustration of the principles and applications of DNA origami[14]; D: Schematic illustration of the principles of SST[15]

1.2　滚环扩增（rolling circle amplification，RCA）

RCA是新近发展起来的一种扩增DNA的方法，可以在等温条件下以单链环状DNA为模板，在Phi29 DNA聚合酶的催化下连续延伸互补的单链DNA（图1-B），产物较长且具有重复序列[

11]。

RCA已被用于开发各种类型的DNA纳米结构。Y型DNA作为一种简单的DNA纳米结构，是树枝状DNA结构与DNA水凝胶的组成部分。Hong等[

12]报道了一种利用RCA技术高效生产Y形DNA的方法。将一条能够自组装为包含3个发卡-环结构的Y形DNA作为模板，通过Phi29 DNA聚合酶扩增与核酸内切酶的位点特异性切割，获得大量DNA片段，经退火自组装为Y形DNA 纳米结构。类似地，Yata等[13]使用RCA高效扩增多末端DNA纳米结构，经限制性内切酶切割与DNA自组装过程可最终获得DNA水凝胶。因此，RCA技术可以成为一种低成本高产量制备DNA纳米结构的新方法。

1.3　DNA折纸术（DNA origami）

2006年，Rothemund[

14]开发了一种称为“DNA折纸术”的独特的方法，可以使长的脚手架链在数百条短订书钉链的帮助下折叠成预先设计的形状（图1-C）。这些订书钉链经过合理设计，可以与脚手架链在特定区域互补，从而指导自组装过程。由于DNA脚手架链较长，通过DNA折纸术制备的纳米结构直径通常可达几十或数百纳米。该方法是DNA纳米技术的里程碑之一，人们可以凭借丰富的想象力使用DNA折纸术制备高度组织化的复杂2D或3D结构。虽然其功能强大，但是由于每种设计都需要合成数百条不同的DNA链，导致实验的复杂性与成本明显升高，限制了大规模生产应用。

1.4　单链DNA Tile（single-stranded tile，SST）自组装

SST自组装是DNA纳米技术中另一个重要的设计策略[

15]。与乐高积木类似，SST自组装采用一系列短的DNA单链，每条单链都包含4个短结合域，这些结合域仅能够与相邻tile的特定序列通过碱基互补配对彼此连接，从而通过在tile/tile界面处形成DNA双链进行自组装（图1-D）。利用SST自组装技术可以生产具有不同图案和形状的2D或3D DNA结构。与DNA折纸术相比，SST自组装所采用的DNA链较短，不涉及长的脚手架链，因此不存在所制备结构的尺寸被脚手架链长度所限的问题。虽然其大小设计更为灵活，但随着所需结构的尺寸增加，成本仍将逐步提高，且序列设计与优化的复杂性也将逐步增加。

与常规的单链或双链DNA相比，自组装DNA纳米结构在生理环境中更稳定，可抵抗一定程度的降解作用。目前，基于DNA的纳米材料呈现出多种新颖的生物医学功能，包括药物递送、生物成像、生物传感以及诊断学应用[

17-20]。

2 基于DNA纳米技术的药物递送载体在肿瘤治疗领域的应用

DNA纳米技术的新兴应用之一是肿瘤纳米医学，通过利用纳米颗粒的独特特性递送并增强肿瘤治疗药物的抗肿瘤功效。

2.1　化学治疗

化学治疗是目前临床上应用最广泛的肿瘤治疗方法之一。然而，化疗药物较差的水溶性与全身非特异性分布影响了药物到达肿瘤组织的效率，并且可能会引起严重的不良反应，例如骨髓抑制、胃肠道不适、脱发和器官损伤，降低病人的生存质量并可能导致化疗失败。为了克服这些缺点，DNA纳米材料被开发用于抗肿瘤化疗药物的递送，以提高化疗的安全性与有效性。

阿霉素（doxorubicin，DOX）是一种广谱抗肿瘤药物，可通过抑制DNA合成治疗包括实体瘤和血液瘤在内的多种肿瘤。由于其可插入DNA双链鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）碱基对中，研究人员采用DNA纳米技术制备多种形状的载体用于DOX的高效递送，包括DNA四面体[

21]、树枝状DNA大分子[22]、基于DNA折纸术的纳米结构[23-24]、基于RCA的纳米结构[25]等。Liu等[24, 26]基于DNA折纸术开发了一系列纳米载体用于药物递送，例如使用管状与三角形DNA纳米结构递送DOX[27]（图2-A）。与非结构化的DNA双链相比，基于DNA折纸术的纳米结构的DOX载量可提高一倍。与正方形和管状结构相比，三角形DNA纳米结构由于合理的几何形状与尺寸（每侧约120 nm）表现出最佳的肿瘤被动靶向作用。基于DNA折纸术的DOX递送系统在体内表现出良好的抗肿瘤活性，且未引起明显的毒副作用。该研究证明了DNA折纸纳米结构作为创新平台在体内安全、高效递送化疗药物的潜力[28]。Zhang等[29]将靶向药物递送与荧光成像相集成（图2-B），制备的树枝状DNA纳米结构具有灵活的模块化设计、出色的生物稳定性和生物相容性、高载药量以及良好的细胞摄取效率。树枝状DNA分子是由Y形DNA单体通过逐层自组装构建而成，经sgc8适配体修饰的树枝状DNA大分子可以选择性识别PTK7（一种细胞膜蛋白），随后被递送至PTK7过表达的细胞系中，G-C碱基对中装载的DOX可响应溶酶体内酸性环境迅速释放。通过与支链DNA单体连接可将荧光基团引入树枝状DNA大分子，有利于多功能生物医学应用。Setyawati等[21]使用DNA四面体共递送DOX与西妥昔单抗（图2-C），用于乳腺癌的靶向治疗。西妥昔单抗可特异性识别乳腺癌细胞表面的表皮生长因子受体（epithelial growth factor receptor，EGFR）。四面体的顶点被用于连接西妥昔单抗，以尽可能在空间上均匀隔开西妥昔单抗，从而增加其与肿瘤细胞表面EGFR结合的机会。每个四面体可连接1~3个西妥昔单抗，连接的单抗数越多，细胞摄取效率越高，抗肿瘤活性越强。Yao等[30]开发了一种新颖的磁性DNA纳米凝胶用于DOX的靶向递送和可控释放（图2-D）。该纳米凝胶以磁性Fe3O4纳米颗粒为核心，以RCA产生的交联单链DNA为外壳，具有合适的粒径和良好的生物相容性。在外部磁场的帮助下，该纳米凝胶可靶向肿瘤细胞，并被肿瘤细胞有效摄取，通过响应多种刺激（包括温度、pH和核酸酶）精确释放DOX。该系统实现了远程磁铁控制的药物递送和刺激触发的药物释放，获得了较好的治疗效果且未引起明显的不良反应，为精密医学的发展提供了新策略。

Figure 2 Application of DNA nanostructure in tumor chemotherapy

注：

A: DNA triangle and tube origami structures for DOX delivery[

27]; B: Aptamer-based dendritic DNA nanostructure with the capability of cancer cell recognition, imaging and DOX delivery[29]; C: DNA tetrahedron for DOX and cetuximab co-delivery[21]; D: Magnetic DNA nanogels for targeting DOX delivery under external magnetic field and multistimuli triggered DOX release[30]; E: Illustration of platinum nanoparticles encapsulation and telomerase‐triggered release from the DNA icosahedra[31]; F: Schematic illustration of a nanobody‐conjugated DNA tetrahedron for targeted platinum drug delivery[32]

顺铂及基于铂的药物已是临床上治疗各种肿瘤的一线化疗药物。铂类药物的抗肿瘤活性主要来自与DNA碱基对的共价和非共价（例如嵌入）相互作用。化疗期间，患者通常需承受严重的不良反应，包括药物引起的肾毒性、耳毒性和神经毒性。铂类药物的靶向递送将改善治疗效果并降低药物毒性。Ma等[

31]设计了端粒酶响应性DNA二十面体（图2-E），可实现肿瘤靶向递送与药物精确释放，用于顺铂耐药肿瘤的治疗。该DNA二十面体由两个金字塔形DNA纳米笼构建而成，通过端粒酶引物和端粒重复序列连接，铂纳米药物被封装于二十面体中。该系统可响应肿瘤细胞内的端粒酶精确释放笼中铂纳米药物，从而增强对顺铂耐药肿瘤的治疗效果，并减少对正常组织的毒性。Wu等[32]将铂类药物56MESS嵌入DNA四面体双链，并将抗EGFR的纳米抗体与DNA四面体偶联，实现肿瘤的多药联合治疗（图2-F）。该纳米结构可阻断EGFR高表达细胞中EGFR相关信号转导，表现出显著的抗肿瘤活性，且未引起明显的不良反应。该多功能药物递送系统为肿瘤靶向性化疗开辟了新途径，为蛋白质等其他功能组件的联合递送提供了指导。

2.2　基因治疗

随着基因编辑、基因沉默等基因操作技术的不断发展，人们可以位点特异性地上调或下调目标基因的表达以治疗各种疾病。近年来，基因治疗在肿瘤治疗领域引起人们的广泛关注。一系列肿瘤相关基因，例如Ras、Myc和polo样激酶1（polo-like kinase 1，PLK1）等已被验证并用于临床试验[

33]。下调这些肿瘤相关基因是一种有前景的肿瘤治疗策略。然而，基因治疗药物不易被细胞摄取，且在体内循环过程中较不稳定。因此，基因治疗的成功很大程度上取决于基因递送载体的安全性与有效性。基因治疗载体主要包括两类：病毒载体与非病毒载体。考虑到可能的插入诱变和免疫原性，病毒载体的使用受到限制[34]。因此，目前基因治疗的一大挑战是设计一种非病毒载体，实现基因的安全高效递送。由于DNA纳米结构具有负载能力强、生物相容性高等优点，研究者们将DNA纳米结构作为非病毒载体候选物，期望实现有效的靶向基因治疗。

Lee等[

35]制备了用于siRNA装载与靶向递送的DNA四面体（图3-A）。6条DNA链自组装成四面体框架，带有悬臂的siRNA通过碱基互补配对与四面体连接。该纳米粒的流体动力学尺寸约为28.6 nm，有利于细胞摄取。经叶酸修饰后，DNA四面体具有显著的肿瘤靶向能力。体内分布检测发现，该DNA四面体主要集中在肿瘤与肾脏，在心、肝、脾、肺中积累较少。对裸鼠给药后，在肿瘤部位可观察到siRNA的基因沉默效应。该纳米粒未引起明显的免疫反应，且血液循环半衰期显著长于单独的siRNA。在各种功能元件的帮助下，DNA四面体有望成为通用siRNA递送平台。Roh等[36]介绍了一种通过RCA自组装的海绵样DNA微球用于ASO递送（图3-B）。该DNA微球由长单链DNA构成，包含由RCA产生的大量重复ASO序列。使用阳离子聚合物包裹后，微球尺寸从约1.8 µm缩小至约212 nm。该微球的尺寸有利于细胞摄取，并能够避免肾脏的清除作用。与传统的基于脂质的转染策略（例如lipofectamine）相比，该微球能够更显著地抑制靶基因表达，且毒性极低。Chen等[37]结合RCA与DNA折纸术设计了DNA纳米带（图3-C），用于细胞内基因沉默。与传统DNA折纸术动辄需要数百条订书钉链不同，结合了RCA的DNA纳米带仅需少量订书钉链，大大降低了生产成本，从而有可能消除DNA纳米结构实际应用中受成本限制引起的障碍。由于独特的形状与结构刚性，DNA纳米带能够被细胞有效摄取并发生内体逃逸，实现高效siRNA递送。该研究为基于DNA纳米技术的siRNA递送系统提供了巧妙的设计思路，并有望成为递送其他药物的候选载体。Liu等[33]构建了基于分支DNA的纳米平台，用于基因编辑与基因沉默工具的共递送（图3-D）。基因编辑工具sgRNA/Cas9可作用于细胞核中的DNA，基因沉默工具antisense可作用于细胞质中的mRNA。分支DNA结构通过自组装有效装载sgRNA/Cas9/antisense复合物，实现对肿瘤相关基因PLK1的编辑与沉默。该结构引入了用于靶向递送的适配体与用于内体逃逸的流感血凝素肽，且可响应谷胱甘肽（glutathione，GSH）和RNase H有效释放药物，表现出良好的肿瘤治疗效果，且未引起明显的不良反应。这种具有生物相容性的多功能DNA纳米载体为基因治疗的发展提供了新策略。

Figure 3 Application of DNA nanostructure in cancer gene theapy

注：

A: DNA tetrahedron nanoparticles for siRNA loading and targeted delivery[

35]; B: DNA microsponge particles for efficient ASOs delivery[36]; C: DNA nanoribbons synthesized by a modified DNA origami method and RCA as an efficient siRNA delivery vehicle[37]; D: A branched DNA-based nanoplatform for codelivery of gene editing and gene silencing components for synergistic tumor therapy[33]

2.3　免疫治疗

在过去的几十年中，作为一种相对新颖的肿瘤治疗方法，免疫治疗取得了令人鼓舞的突破。该疗法通过调节免疫系统治疗肿瘤，具有不良作用低、特异性高等特点。CpG在微生物基因组中极为常见，但在脊椎动物基因组中较少见。含有CpG基序的细菌DNA和人工合成的寡核苷酸被哺乳动物先天免疫系统识别为危险信号，并可能引发强烈的免疫反应[

38]。CpG ODN可以通过与Toll样受体9（toll-like receptor 9，TLR9）相互作用刺激树突状细胞、B细胞和巨噬细胞产生肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白介素（interleukin，IL）-6等促炎细胞因子，激活哺乳动物先天免疫系统，增强抗肿瘤活性。因此，CpG ODN作为一种安全有效的疫苗佐剂，在肿瘤免疫治疗的基础研究和临床试验中被广泛使用。然而，CpG ODN进胞效率低，且易被核酸酶降解，稳定性较差[7]。为了解决这些问题，研究人员开发出各种方法，包括对CpG核苷酸主链进行硫代磷酸修饰，以增强CpG抵抗核酸酶降解的稳定性，然而却发现巯基修饰可能引起免疫反应减弱、淋巴滤泡受损等不良反应[38]。

近年来，人们已经探索利用DNA纳米结构作为CpG递送载体。由于它们固有的相容性，富含CpG的序列可以轻松整合至DNA纳米结构中，以增强其稳定性和靶向性。Rattanakiat等[

39]通过逐层连接含有CpG序列的Y形分支DNA单体制备树枝状DNA纳米结构，用于CpG的高效递送（图4-A）。树枝状DNA纳米结构诱导RAW264.7巨噬细胞产生TNF-α的量比Y形分支DNA单体高约50倍，产生IL-6的量比Y形分支DNA单体高约5倍。研究人员推断，分支纳米结构能够保护CpG ODN减少降解，并增加其被TLR识别的机会，从而诱导更强烈的免疫反应。该设计为CpG ODN的安全有效递送开辟了新途径。Qu等[40]同样开发了一种树枝状DNA大分子，可有效递送CpG ODN并增强细胞因子的产生（图4-B）。将含有CpG序列的发夹环状DNA加至X形与Y形分支DNA形成的框架中，可提高其对核酸内切酶的抵抗能力。在树枝状大分子的最外层进一步修饰穿膜肽TAT可增加细胞对CpG的摄取。与单纯的CpG或树枝状DNA结构相比，该独特的CpG递送系统能够引起更强的免疫反应，且无显著的细胞毒性，进一步证明了树枝状DNA大分子作为CpG递送载体的安全性与有效性。Li等[41]将CpG ODN装载于DNA四面体顶点处（图4-C），DNA四面体具有一定的核酸酶抵抗能力，在胎牛血清和细胞中可完整保持数小时。装载于DNA四面体的CpG ODN可被RAW264.7细胞有效摄取而无需转染试剂的帮助，随后诱导大量促炎细胞因子的分泌，效果显著优于单独的CpG ODN。随着DNA四面体上装载的CpG ODN数量的增加，产生的细胞因子的量也随之增加，从而增强了免疫刺激效果。Ouyang等[42]还合成了基于RCA的DNA纳米带以高效递送CpG序列（图4-D）。理论上，该DNA纳米带的每个周期单元可偶联一个CpG序列。研究表明，DNA纳米带的长度和浓度与TNF-α的产量高度相关。对于10 nmol/L浓度下长度约为1 μm的DNA纳米带，所含CpG足以刺激约5 100 pg/mL TNF-α的产生，免疫刺激效果显著。Schuller等[43]基于DNA折纸术设计了纳米管，并将CpG ODN锚定在中空DNA纳米管表面（图4-E）。DNA纳米管骨架的稳定性与致密性使其能够抵抗血清中核酸酶的降解，并有效递送大量CpG ODN。通过监测细胞因子的产生和免疫细胞的活化，研究人员发现这种新型DNA材料比等量的裸CpG ODN具有更显著的免疫刺激效果，且无明显毒性。Wang等[44]开发了一种创新型DNA纳米载体，可响应炎症条件控制释放负载的抗程序性死亡受体1（programmed cell death protein 1，PD-1）抗体和CpG ODN，用于术后抗肿瘤免疫治疗（图4-F）。该载体以RCA技术产生的长单链DNA为基础，引入CpG序列与限制性内切酶HhaⅠ切割位点，在此基础上装载抗PD-1抗体以及被三聚甘油单硬脂酸酯包被的限制性内切酶HhaⅠ。手术后伤口部位高表达的酯酶和基质金属蛋白酶能够裂解三聚甘油单硬脂酸酯，释放包被的HhaⅠ，该酶可消化载体，产生多个CpG片段，并随之释放抗PD-1抗体。PD-1是活化的T细胞表达的关键免疫检查点受体，可介导免疫抑制。PD-1及其配体1和2（PD-L1/2）之间的相互作用是肿瘤抑制免疫反应的关键途径。因此，通过抗PD-1抗体破坏PD-1和PD-L1之间的相互作用可增强针对癌细胞的免疫应答。这种双重免疫疗法能够引起比单一的游离CpG ODN或抗PD-1抗体更强的免疫反应，在小鼠体内表现出显著的肿瘤抑制效果。该设计为肿瘤治疗中药物的局部响应性释放提供了新策略。

Figure 4 Application of DNA nanostructure in cancer immunotherapy

注：

A: Dendrimer-like DNA containing CpG sequence for enhanced immunostimulatory activity[

39]; B: DNA dendrimeric nanoparticles for efficient CpG ODNs delivery[40]; C: The assembly of CpG-bearing DNA tetrahedron and its immunostimulatory effect[41]; D: Preparation of long, single-stranded scaffold DNA by RCA and schematic illustration of the folding pathway of the single-stranded RCA product to form DNA nanoribbon[42]; E: Hollow DNA origami tubes for CpG ODNs delivery[43]; F: DNA nanococoon based on RCA for CpG ODNs and anti-PD-1 antibody co-delivery[44]

2.4　PDT

PDT是一种利用光敏剂与光照治疗肿瘤的新技术。经特定波长光照后，光敏剂可将能量传递给周围的氧，从而生成活性氧（reactive oxygen species，ROS）。ROS可以氧化脂质、氨基酸和蛋白质，对细胞膜和重要的细胞器造成不可逆转的损伤，通过凋亡、坏死或自噬诱导细胞死亡[

45]。PDT已被证实是临床上治疗肿瘤的最有前景的无创性方法之一，具有不良反应小、适用性广、无耐药风险等优点[46]。典型的光敏剂如卟啉衍生物、咔唑衍生物等具有较强的疏水性，在水溶液中易聚集，从而影响治疗效果[45, 47]。为此，研究者们开发了多种DNA纳米结构用于光敏剂的高效递送。

G-四链体由于能够携带卟啉衍生物TMPyP4等光敏剂而成为最具吸引力的DNA纳米载体之一。Shieh等[

48]使用富含鸟嘌呤的由26个核苷酸组成的适配体AS1411作为药物载体递送TMPyP4（图5-A）。AS1411能够形成二聚体G-四链体结构，具有主动靶向肿瘤组织的能力。实验结果显示，AS1411–TMPyP4复合物表现出良好的肿瘤靶向性，肿瘤细胞内TMPyP4积累量显著高于正常细胞。Yang等[49]同样基于AS1411构建多功能纳米递送系统（图5-B）。由于AS1411能够与细胞核中的核仁素特异性结合，该递送系统可将光敏剂直接递送至细胞核，以更有效地破坏肿瘤细胞DNA。同时，该递送系统还能够下调Bcl-2表达量，并触发内源性过氧化氢的分解以改善肿瘤缺氧状态，克服缺氧诱导的PDT耐受。多重机制导致该纳米复合物能够在低剂量下实现高效协同抗肿瘤作用。对荷瘤小鼠给药后发现，该载药系统表现出出色的肿瘤靶向性与光触发的肿瘤抑制效果。Zhuang等[45]基于DNA折纸术制备三角形DNA纳米结构，用于肿瘤细胞内低分子量咔唑衍生物BMEPC的递送（图5-C）。载体DNA紧密的结构为BMEPC提供了大量致密的插入位点。与载体结合后，BMEPC的水溶性、光动力效率与细胞内的光漂白现象得到显著改善。装载BMEPC的三角形DNA纳米结构可被人乳腺癌细胞MCF-7成功摄取，进入细胞后，该复合物可以同时发挥成像剂与光敏剂的作用，光照产生的ROS最终将导致细胞死亡。该系统为细胞内成像与光动力疗法提供了新思路。

Figure 5 Application of DNA nanostructure in PDT

注：

A: A G-quadruplex forming AS1411 aptamer for TMPyP4 delivery[

48]; B: Nanoscale coordination polymers based on the AS1411 aptamer for enhanced PDT[49]; C: Triangular-shaped DNA origami for BMEPC delivery[45]

3 展 望

药物递送是DNA纳米技术的重要应用，与其他递送系统（如脂质体或聚合物）相比，DNA纳米载体具有可预先设计的尺寸与形状、可编程的纳米结构、良好的生物相容性，是一种极具希望的药物递送载体。尽管研究者们已成功开发并评估了各种基于DNA的纳米载体，但为推进DNA纳米材料在肿瘤治疗领域的进一步应用，必须阐明其体内特性，包括循环半衰期、药代动力学和清除机制。此外，还需关注潜在的免疫反应。在超过90％的研究中，M13mp18噬菌体DNA被用于制备DNA折纸纳米结构的支架，这种特殊的序列可能存在免疫原性[

50]。

作为新型纳米平台，DNA纳米结构能够递送多种药物以实现肿瘤联合治疗。DNA纳米结构的流体动力学尺寸通常为10~200 nm，因此能够利用高渗透长滞留（enhanced permeability and retention effect，EPR）效应实现肿瘤组织的被动靶向，在适配体等功能元件的帮助下还能够通过主动靶向进一步提高肿瘤靶向能力。某些巧妙的设计能够使DNA纳米结构在特定区域触发结构重组，暴露包被的药物，实现可控的药物释放。这种递送策略能够显著提高药物的安全性与肿瘤治疗效果。

尽管基于DNA的药物递送系统尚未进入临床应用，但它们目前正处于快速发展阶段，并且在肿瘤治疗领域显示出巨大的潜力。为促进DNA纳米技术的临床应用，需合理设计纳米颗粒，使用较少量的载体提供大量活性药物，并确定胞内运输途径、内体逃逸情况以及药物释放情况。相信随着纳米技术的飞速发展，基于DNA的独特纳米材料将为有效治疗肿瘤提供强有力的手段，并在生物医学领域具有更广泛的应用。

中国药科大学2020年1~7月获授权专利情况(1)

申请（专利）号名 称发明（设计）人
CN201910513544.0 一种2-位双取代吲哚啉-3-酮类化合物及其不对称合成方法 杜鼎,房帅帅
CN201810026871.9 一种苯-吡咯戊烷类化合物、其制备方法及抗肝纤维化用途 张灿,王聪,王斌,康子圣,薛玲静,杜俊杰,郝玫茜,韩晓琳
CN201810103737.4 一种医用氧化石墨烯抗菌剂的制备方法 刘秀峰,刘吉华,郭蕊琳
CN201510333514.3 一种修饰的重组人内皮抑素及其应用 姚文兵,田浤,许向阳,李海瑞,童玥,高向东
CN201910170129.X 一种降糖肽及其应用 钱海,徐丹,黄文龙,蔡星光,李承业
CN201910076670.4 一种蛋白靶向降解嵌合分子、制备方法及应用 尤启冬,姜正羽,汪艳,金雨辉,陆朦辰,徐晓莉,郭小可
CN201710879128.3 呋喃[3，2-b]吡啶-2(1H)-酮类化合物、制备方法和医药用途 向华,刘林义,石冰玉,黄阿丽,蔡学融,王向前
CN201810648374.2 一种双黄酮类化合物及其用途 汪豪,胡晓龙,熊非,叶文才
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CN201711265478.7 以植物环肽为有效成分的肿瘤细胞异常脂代谢抑制剂及其应用 谭宁华,王玉荣,宋立华
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注：

（图书与信息中心 顾东蕾）

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