JACS丨基于可调节多价适体的DNA纳米结构调控多异受体介导的肿瘤识别
今天分享的是一篇2024年1月发表在Journal of the American Chemical Society上的文章，题目是Tunable Multivalent Aptamer-Based DNA Nanostructures To Regulate Multiheteroreceptor-Mediated Tumor Recognition。
通讯作者
张鹏晖研究员，中国科学院杭州医学研究所，主要研究方向包括新型分子药物与纳米药物、mRNA设计与递送技术、智能分子网络与细胞命运调控等。
研究背景
在癌症、感染和神经疾病等疾病治疗中，细胞表面受体的准确定位和调控至关重要，但也充满挑战。本研究中，作者在DNA折纸纳米结构上引入了多价适体，通过调整适体的种类、价态、模式和折纸形状来精确调节对肿瘤的靶向识别。首先，作者研究了不同适体与不同细胞系的结合情况，然后将它们分别结合在片状(mvAp-DNP)和管状(mvAp-DNT)纳米结构上。研究结果显示，大多数mvAp-DNPs主要停留在细胞表面，而大多数mvAp-DNTs则更容易被细胞内吞。通过在同一结构上结合两种适体，观察到多异受体介导的识别能力显著增强。随后，利用管状mvAp-DNPs将治疗前药选择性地输送至肿瘤细胞内，同时利用片状mvAp-DNPs引导巨噬细胞与靶向肿瘤细胞特异性互动，实现免疫清除。这为精确调节细胞识别、个性化治疗肿瘤提供了有前景的平台。
研究结果
可调节多价适体DNA纳米结构的设计
作者对M13mp18 DNA链、钉条和悬垂进行了退火处理，成功合成了均匀的二维片状DNPs和三维管状DNTs。随后，作者将适体阵列与程序悬架进行杂交，制备了一系列基于多价适体的DNA纳米结构(mvAp-DNPs和mvAp-DNTs)。适体的增加使DNPs的纳米结构高度增加，并且相较于裸折纸，凝胶电泳中的迁移速率延迟，表明更高价的纳米环境更为密集。
图1：可调节多价适体DNA纳米结构的组装
适体种类、价态和折纸几何对细胞结合亲和力的影响
作者分别研究了携带5种适体的单体mvAp-DNPs和单体mvAp-DNTs在5个肿瘤细胞系和1个正常细胞系中的结合情况。热图结果显示，大多数结构在适体价态为12时实现了最大的结合，这表明增加适体数量有利于多价相互作用，但过高的密度可能会因为位阻效应而影响结合。与单体mvAp-DNPs相比，单体mvAp-DNTs的信号有所增强，通过调整适体种类和价态，成功实现了单体mvAp-DNTs对肿瘤细胞的特异性靶向。作者进一步观察了XQ-2d修饰的不同纳米结构在MDA-MB231和MCF-7细胞中的摄取过程。共聚焦图像显示，不同价态的单体mvAp-DNPs和单体mvAp-DNTs都能在37℃下快速识别MDA-MB-231细胞表面过表达的CD71受体，并在MCF-7细胞上有轻微结合。作者还定量监测了摄取动态，发现单体mvAp-DNPs在1小时内迅速附着并捕获在细胞表面，而单体mvAp-DNTs更倾向于内化到细胞内部。
图2：不同价态DNA纳米结构的细胞结合以及monomvAp-DNPs孵育后细胞流式细胞术信号热图
两种适体多价纳米结构增强细胞摄取
接下来，作者使用了两种类型的适体（阵列3或阵列4）来构建名为dimvAp-DNPs或dimvAp-DNTs的DNA纳米结构。这些纳米结构被修饰为XQ-2D和SL1，以靶向MDA-MB-231，并以HEK-293T作为正常对照。在A3矩阵中，dimvAp-DNTs在4℃下孵育1小时后显示出与MDA-MB-231细胞表面的最大结合，在37℃下孵育24小时后吸收增加，随后测试了携带单适配体和双适配体的纳米结构在不同细胞37℃孵育24小时后的摄取情况。与双适体的纳米结构相比，所有单适体修饰的结构表现出较弱的摄取，可能是由于它们的细胞结合亲和力较低。最后，作者研究了dimvAp-DNTs（XQ-2d/SL1）的识别和内化机制，结果显示蔗糖抑制剂显著降低了摄取，揭示了网格蛋白介导的内吞途径。通过调节适配体的种类、价态和折叠几何，管状dimvAp-DNTs与两种类型的表面受体以多种方式相互作用，促进网格蛋白的内吞作用，从而促进靶向药物递送。
图3：具有两种适体的多价DNA纳米结构的细胞识别
肿瘤细胞的靶向药物递送
区别于传统纳米粒子，本研究展示了一种通过化学计量比将药物直接装载至DNA折纸结构中的方法。初始步骤包括将两种药物通过点击化学反应连接至短DNA链上，从而合成出一种对酯酶敏感的前体药物。利用高效液相色谱（HPLC）技术，作者监测到在3小时内，超过90%的药物分子从缓冲液中被释放（图4c）。随后，通过将纳米结构、适体和DNA-药物偶联物混合，作者成功制备出高产量的dimvAp-DNTs，这些纳米结构内部封装有药物。根据设计，dimvAp-DNTs表面的XQ-2d和SL1适体能够在肿瘤细胞中特异性地引导多价识别和内吞作用，进而促使药物从溶酶体逃逸至细胞质。在细胞质中，药物偶联物被酯酶分解，触发药物的释放（图4b）。通过使用FAM染料和Cy5染料分别标记DNA-药物偶联物和纳米结构，作者观察到与dimvAp-DNTs孵育12小时后，MDA-MB-231细胞内出现了显著的FAM和Cy5荧光信号，表明药物被选择性且有效地摄取（图4d）。共定位分析揭示，dimvAp-DNTs最初在6小时时被困在核内体内，而在12小时后，大部分成功逃逸至细胞质（图4e）。这不仅证明了dimvAp-DNTs在介导特异性识别和增强摄取方面的有效性，还显示了它们能够诱导MDA-MB-231细胞的显著死亡（图4f）。此外，通过设计一系列携带不同适体对的dimvAp-DNTs，实现了显著提高的致死率。
图4：dimvAp-dDNTs靶向给药(价态= 12)
trimvAp-mDNPs增强免疫识别
最后，研究人员设计了巨噬细胞招募者trimvAp-mDNPs，这些DNA纳米结构带有SL1和XQ-2d核酸适体，以定向靶向MDA-MB-231细胞，并携带CLN0020适体以结合RAW264.7细胞。trimvAp-mDNPs通过多价相互作用成功识别RAW264.7细胞，并直接增强MDA-MB-231和RAW264.7之间的相互作用，展示了明显的纳米结构介导的细胞-细胞界面（图5a-c）。流式细胞分析进一步证实了trimvAp-mDNPs增强了肿瘤细胞与巨噬细胞的结合（图5d）。研究人员利用酶联免疫吸附法（ELISA）检测发现，trimvAp-mDNPs增强了细胞之间的相互作用，导致RAW264.7细胞分泌高水平的TNF-α（图5e）。进一步评估了RAW264.7对肿瘤细胞的杀伤作用，并测试了它们激活巨噬细胞毒性的效果（图5f）。
图5：trimvAp-mDNPs纳米结构增强免疫识别
结论
总之，研究团队成功开发了一种基于多价适体的可调节DNA纳米结构，这种结构能够精确地调控肿瘤细胞与其受体之间的交互。通过分析12种细胞系上10种核酸适体的表面受体特性，研究人员创建了区分不同肿瘤类型的热图。核酸适体被精确地安装在DNA折纸结构上，使得可以精确控制适体的排列方式，包括其种类、价态和几何形状。发现大部分的片状结构主要停留在细胞表面，而管状结构则倾向于被细胞快速吞噬。同时，通过将两种适体结合到同一结构上，研究团队能够选择性地通过管状dimap-dnts将前体药物输送到肿瘤细胞中，利用多异性受体介导的内吞作用实现了更高的药物摄取率。最后，他们还通过片状trimvAp-mDNPs促使巨噬细胞与特定的肿瘤细胞进行特异性交互，从而实现了有效的免疫清除。
