福州大学李娟教授：DNA纳米组装体细胞质直接递送，只靠一张“不干胶”

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团队开发了一种含二硫键和胍基的双官能团“分子贴纸”disulfide-containing molecular sticker, DSMS）。通过简单混合即可将“分子贴纸”“粘贴”在各种DNA结构上，这种“粘贴”可以将组装体进入细胞的途径由内吞转变为硫醇介导细胞质直接递送，且不改变组装体结构。

DNA纳米组装体具有高度可设计，易修饰，生物相容性佳等优点，已被应用于生物成像、药物传递、基因治疗等领域。然而，DNA纳米组装体通过内吞途径被细胞摄取的过程中必须面对内含体和溶酶体的捕获、降解，结构完整性遭到破坏，导致假的检测信号或治疗效果降低。而常用的溶酶体逃逸试剂存在细胞毒性大，逃逸效率低等问题。因此，研究人员将目光投向了非内吞途径的递送方式。其中，硫醇介导的细胞摄取作为一种天然存在的非内吞途径受到关注。

细胞表面含有硫醇，以保护细胞免受氧化环境的影响。含二硫化物的“货物”与外表面硫醇之间的二硫交换反应介导了其进入细胞质;然后，二硫键经历快速裂解，在内源性谷胱甘肽(GSH)的催化下释放货物。但此种方法大多需要耗时的聚合过程才能让“货物”共价或非共价结合，这可能会增加破坏DNA纳米结构和生物活性的风险。因此，开发一种简便而通用的方法，在不造成结构变形的情况下直接在细胞内递送DNA纳米组件，仍然是一个理想的目标。

福州大学李娟教授课题组开发了一种简便和通用的方法，利用一种含二硫键和胍基的双官能团“分子贴纸”实现DNA纳米组装体的细胞质高效递送。这种“分子贴纸”的胍基与DNA磷酸骨架存在多价盐桥相互作用，因此作为“分子贴纸”的胶水部分，使其与DNA纳米组装体紧密结合。而二硫键则是硫醇介导摄取作用的关键基团，是“分子贴纸”的与细胞膜作用部分。通过简单混合即可将“分子贴纸”粘贴在不同的DNA结构上，修饰后的DNA纳米组装体即可通过硫醇介导的途径进入细胞质（图1）。

图1. （a）“分子胶水”与DNA纳米组装体的组装示意图（b）DNA纳米组装体通过不同内化途径进入细胞示意图。

作者首先选择了经典的DNA四面体作为第一个验证模型。与“分子贴纸”简单的组装，保持DNA四面体不变，并仍为单分散状态。组装后的DNA四面体与溶酶体的皮尔森共定位系数（PCCs）相对组装前明显降低（图2a, b）。组装后的DNA四面体的细胞摄取不受内吞抑制剂影响，但对硫醇介导的摄取抑制剂敏感(图2c, d）。这说明与“分子贴纸”组装后的DNA四面体不经由内吞途径，而是通过硫醇介导的摄取机制进入细胞。

图2

随后，作者将这种简单的DNA四面体组装递送策略拓展到尺寸更大的DNA纳米组装体（图3，DNA纳米棒）和无机材料与DNA杂合的纳米组装体（图4，DNA修饰的上转换纳米粒子）。实验结果显示组装同样不改变这两种组装体的形貌，并可使组装体绕过内吞途径直接递送进入细胞质。

图3

图4

综上所述，这种含二硫键和胍基的双官能团“分子贴纸”的递送策略具有操作简单，通用性强，递送效率高的优点，为DNA纳米组装体在活细胞成像、药物递送和基因治疗中的应用提供了新工具。该工作以Research article的形式发表在CCS Chemistry，并在官网“Just Published”栏目上线。

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https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000250

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