湖南大学谭蔚泓院士/刘巧玲教授构筑基于核酸适体的DNA 逻辑门控纳米细胞膜囊泡实现靶细胞精准识别

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来源于天然细胞的细胞膜囊泡由于具有生物相容性好、免疫原性小、易于功能化修饰等优势使其成为优良的载体用于药物递送。然而，细胞膜囊泡本身不具备对特定细胞的靶向识别能力，因此，利用靶向识别配体对细胞膜囊泡进行功能化修饰成为研究人员用于提高细胞膜囊泡靶向识别能力的常用策略。如，采用多种具有特异性识别靶细胞的配体增强细胞膜囊泡与靶细胞的结合。虽然这种增强与靶向细胞结合的策略可以提高细胞膜囊泡的靶向效率，但同时也会导致细胞膜囊泡与具有相同生物标志物的非靶细胞结合，从而产生毒副作用。

湖南大学谭蔚泓院士团队刘巧玲课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表题为 “Logic-gated Cell-derived Nanovesicles via DNA-based Smart Recognition Module” 的文章（DOI: 10.1021/acsami.1c07632）。为实现细胞膜囊泡对靶细胞的精准识别，该课题组构筑基于 DNA 逻辑门控的纳米细胞膜囊泡，以布尔逻辑中的“AND”门方式耦合两种靶向肿瘤细胞的参数（低 pH 值和肿瘤细胞标志物），从而降低对非靶细胞的识别。在该工作中，研究人员利用特异识别PTK7蛋白的核酸适体Sgc8以及对酸响应的i-motif序列，结合DNA纳米技术，设计对肿瘤标志物（PTK7）和低pH值响应的DNA逻辑门功能单元。将这种功能单元锚定在纳米细胞膜囊泡表面即可获得对靶细胞特异识别的纳米细胞膜囊泡。利用碳点对谷胱甘肽灵敏响应的特点，研究人员以纳米细胞膜囊泡为载体实现碳点的精准递送和靶细胞内谷胱甘肽含量的动态监测。该研究为构筑智能化纳米细胞膜囊泡提供新思路，拓展细胞膜囊泡在精准药物递送和个性化治疗领域中的应用。

示意图1：DNA 逻辑门控纳米细胞膜囊泡的设计思路及识别原理示意图。逻辑门控纳米细胞膜囊泡表面由特异识别PTK7的核酸适体Sgc8和pH响应的i-motif结构组成，利用胆固醇标记的四面体可将逻辑门识别单元锚定在细胞膜囊泡表面。纳米细胞膜囊泡内部装载可响应GSH的碳点，用于检测胞内GSH的变化情况。逻辑门纳米细胞膜囊泡对靶细胞的识别过程包括信号输入、运算处理和信号输出。浅蓝色块和浅橙色块分别显示为输入 1 和输入 2。输入 1 和输入 2 的共存导致绿色框中显示的逻辑门控纳米细胞膜囊泡的运行。 1 表示输入已完成，0 表示输入未完成。如果两种输入条件不能同时满足，逻辑门控纳米细胞膜囊泡将不会识别靶细胞。

图 1. DNA逻辑门识别单元与靶细胞之间的结合。（A）流式细胞术结果显示核酸适体Sgc8靶向的 DNA 四面体 (Sgc8-T) 对靶细胞（HCT116 细胞，绿色）具有良好的结合，而与对照细胞（Lo2 细胞、红色）几乎没有结合。流式细胞术（B）和激光共聚焦荧光图像(C)结果显示双参数响应的DNA逻辑门识别单元（I21-Sgc8-T) 在响应低 pH 环境后产生对 HCT116 细胞的识别能力。标尺，10 µm。

图 2. (A)装载碳点的DNA 逻辑门控纳米细胞膜囊泡的设计示意图。 (B) 利用荧光染料标记的 DNA 逻辑门验证DNA逻辑门锚定在纳米细胞膜囊泡表面。 (C) DLS结果显示纳米细胞膜囊泡修饰DNA逻辑门识别单元后尺寸略有增加，进一步证实DNA逻辑门锚定在纳米细胞膜囊泡表面。 (D) 纳米细胞膜囊泡的 TEM图像（标尺，1μm）。插图为单个装载碳点的纳米细胞膜囊泡（标尺，100 nm）。 (E) 装载碳点的纳米细胞膜囊泡对不同浓度谷胱甘肽的响应情况。

图 3. DNA逻辑门控纳米细胞膜囊泡在不同响应参数下对靶细胞的识别分析。(A) 流式细胞术分析细胞膜囊泡在不同 pH 值的缓冲溶液中与 HCT116 细胞和对照 Lo2 细胞的结合情况。 (B) 激光共聚焦荧光图像结果显示DNA逻辑门控纳米细胞膜囊泡在pH=6.5的缓冲液中对HCT116 细胞的选择性识别。标尺，20 µm。

图 4. DNA逻辑门控纳米细胞膜囊泡监测靶细胞内谷胱甘肽的变化情况。(A) 装载碳点的DNA逻辑门控纳米细胞膜囊泡监测双氧水和外源GSH诱导的HCT116细胞内谷胱甘肽的变化。（B）HCT116 细胞内碳点的比率荧光（F570/F450）波动的定量分析结果。激光共聚焦荧光图像显示装载碳点的DNA逻辑门控纳米细胞膜囊泡用于监测药物（索拉非尼）作用下细胞内谷胱甘肽的变化情况（C）。与对照细胞（无药物处理，D图）相比，药物处理的细胞显示胞内较强的荧光强度变化。(E) HCT116 细胞内碳点的 F570/F450 波动的定量分析结果。标尺， 20 μm。

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c07632

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