空军军医大学牛丽娜教授团队《AFM》：巧夺天工——受天然细胞外核酸启发的DNA材料设计

DNA是由脱氧核糖核苷酸组成的大分子聚合物，其通常被认为存在于真核细胞的细胞核内，与组蛋白结合产生核小体。近年来，DNA由于具备良好的生物相容性、分子识别能力和序列的可编程性，已被广泛作为一种通用型生物材料，用于构建各式各样具有精确尺寸和特定形状的纳米结构。这些合成的DNA材料包括适配体、脱氧核酶、分子信标、人工染色体、DNA折纸、DNA纳米复合材料、DNA水凝胶和DNA疫苗等。

随着DNA材料的快速发展，如何提高其生物稳定性和生物安全性成为了科学家们关注的焦点。DNA材料进入人体后易被体液中的DNase降解，并且其通过生物膜的能力十分有限，这些缺点都限制了DNA材料的临床应用。

近日，来自空军军医大学牛丽娜教授团队系统回顾了DNA合成材料的发展历程、结构设计与功能优势，从天然细胞外核酸中汲取灵感，在生物安全性、药物递送靶向性等方面对DNA合成材料的设计进行具体讨论。相关论文“DNA-Based Materials Inspired by Natural Extracellular DNA”于2023年6月15日在线发表于杂志《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202211669），空军军医大学附属口腔医院牛丽娜教授为该论文的通讯作者，空军军医大学八年制本科生秦紫瑄、空军军医大学附属口腔医院博士王晨语、研究生张江山为共同一作。

细胞外DNA（exDNA）是指有核细胞通过凋亡、坏死或中性粒细胞细胞外陷阱等生命活动释放到细胞外的DNA片段（图1）。ExDNA存在于人体的各种体液中，随组织损伤、癌症和炎症反应等发生浓度变化。ExDNA与DNA合成材料之间的关系体现在以下三点：首先，exDNA在人体中的天然生物学功能有助于优化DNA材料的靶向设计。其次，exDNA的特殊结构有助于人们设计更加科学合理的药物递送系统。最后，外源性exDNA在体内的代谢过程，为探究DNA材料在体内的生物安全性提供参考。

图1 在体液中循环核酸的来源

首先，作者简要回顾了exDNA与DNA合成材料的历史和发展（图2）。

图2 ExDNA与DNA合成材料的简史和发展

然后，作者介绍了DNA合成材料的结构设计（图3）。脱氧核糖核酸在基因组中是双链的。然而，DNA可能以双链、单链、环状双链和镜像翻转（手性）的形式存在于体液中。左旋的Z-DNA对核酸酶具有天然抗性，受天然Z-DNA的启发，人们开发了各种“镜像适配体”平台（图4）。与传统的核酸适配体相比，镜像适配体不能被核酸酶降解，具有良好的生物稳定性。此外，对环状DNA免疫原性的探索可能为DNA疫苗的设计提供更安全、更可靠的解决方案。

图3.受天然DNA启发的DNA合成材料。

图4 DNA合成材料的结构及其对应功能。

纳米材料的器官靶向能力与其大小、表面电荷和形状密切相关。在颗粒尺寸方面，DNA纳米材料的尺寸从几纳米到>100纳米不等（图5）。它们满足了大多数器官靶向颗粒的大小要求（图6）。同时，DNA通过肾脏和肝脏代谢的风险也需要考虑（图7）。

图5 材料内吞作用示意图（吞噬作用、胞饮作用）

图6 DNA合成材料的亚细胞靶向策略。

图7 具有不同大小和电荷的纳米颗粒通过肾脏清除示意图

目前，用于治疗疾病的DNA合成材料需要在体外进行合成与纯化，然后注入体内发挥作用。文章总结了近期关于DNA合成材料的研究进展，并对exDNA和DNA合成材料的应用方向进行了对比（图8）。文章重点介绍了DNA合成材料在癌症（图9），自身免疫病，心血管疾病，神经系统疾病以及骨缺损骨修复领域中的作用。

图8 ExDNA和DNA合成材料的应用

图9 基于DNA的药物递送系统

综上所述，众多的DNA合成材料可以从结构设计和代谢途径等方面以天然细胞外核酸分子为参考，进一步提高其生物稳定性和生物安全性。然而，其距离临床转化仍有较长的一段路程。

首先，DNA的形状、大小、表面电荷和以及核酸酶在不同细胞和组织中的浓度分布已被证明会影响材料的稳定性，如何进行溶酶体逃逸也是提高DNA合成材料的稳定性的关键问题之一。

其次，对于包含无机纳米颗粒的DNA合成材料，无机纳米颗粒带来的肝肾损伤风险仍需进一步深入研究。此外，当外来合成基因进入人体时，有被整合到宿主基因组中的风险。DNA合成材料所携带的核酸是否会导致癌基因激活或抑癌基因失活同样值得关注。

最后，DNA合成材料作为外来物质，可能导致自身抗dna抗体产生并激活相关信号通路，最终引起炎症或自身免疫性疾病的发生，因此人体耐受的最大外源性DNA含量有待进一步确定。相信随着DNA合成材料的发展和对天然细胞外核酸的研究进一步深入，所讨论的现有问题将逐步得到克服。天然细胞外核酸将为DNA合成材料的设计与应用带来突破。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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