国家纳米中心梁兴杰Science Advances：向阳花一样的多级次纳米药物！
第一作者：霍帅东、宫宁强
通讯作者：霍帅东、梁兴杰
通讯单位：国家纳米科学中心
研究亮点：
1. 打破常规，设计了一种类似向阳花纳米结构的多级次纳米药物递送系统。
2. 基因沉默只能通过近红外辐射激活，仅在肿瘤部位发生，而对正常组织无副作用。
3. 纳米向阳花可以保护基因/药物免于在细胞质中降解/失活，并通过释放的超小载体直接传递到细胞核中，使其直接渗透到核孔复合体中。
基因治疗中，纳米药物的尺寸该如何设计
基因治疗在不孕不育，HIV，癌症等疾病治疗中，展示出巨大的潜力。例如在癌症治疗中，基因治疗的成功主要取决于有效基因递送载体的开发。在传递过程中，基因载体必须穿越多个生物屏障和细胞膜，并逃脱核内体的包裹和核酸酶的降解。与基于病毒的传递策略相比，非病毒基因传递方法不仅在DNA / RNA的装载和释放，靶向传递和细胞内摄取方面面临着重大挑战，而且还涉及生物相容性和免疫应答等问题。
当前，纳米技术为工程设计将基因转移到癌细胞的更稳定和有效的载体提供了巨大的潜力。由于其独特的物理化学特性，许多纳米材料已被用于基因传递中。其中，具有特定大小和表面功能化的金纳米颗粒（Au NPs）可以克服基因在与细胞、体内局部和系统递送相关层面的障碍，这已成为体外和体内研究最多的基因载体系统之一。
但是，目前的Au NPs载体仍然面临一些缺陷。一方面，由于细胞的胞吐作用，超小NPs的净摄取量仍然很低，导致治疗效果降低。另一方面，有效地从体内清除NPs是临床实践中NPs安全翻译的关键要求。
为了既利用小NPs可增强核内在化，又利用大NPs增强的肿瘤累积/滞留，科学家开发了刺激响应的药物输送系统，该载体通过对内部肿瘤微环境的反应（酶，低 pH等）或外部刺激（紫外线（UV），近红外（NIR）辐射，磁场等）来缩小尺寸，以实现该目的。
成果简介
有鉴于此，国家纳米科学中心梁兴杰课题组设计并构建了DNA介导自组装的Au-DNA向阳花状多级次纳米结构（纳米向阳花）。在体外近红外光的调控响应下，使大尺寸颗粒（~200 nm）被动靶向到肿瘤部位，中等尺寸颗粒（~50 nm）渗透进肿瘤内部，小尺寸颗粒（<10 nm）被肿瘤细胞高效摄取，最终实现了良好的基因调控效果。
纳米向阳花表现出较强的NIR吸收和光热转化能力。在近红外辐射下，大尺寸的纳米结构可以分解并释放出超小的金纳米颗粒。c-myc癌基因沉默序列修饰的2 nm NPs的释放改善了NPs的细胞核通透性，从而提高了转染效率。研究表明，通过协同控制体外预培养时间，体内循环时间和照射时间，可实现细胞摄取量的增加，基因沉默功效可调节，并抑制肿瘤的效果。可变形的纳米向日葵为纳米载体的设计提供了极好的模型，该载体系统在生物医学应用中具有巨大的潜力。
图1. 设计原理
要点1：纳米向阳花的设计合成
研究人员使用首先配体交换方法合成了巯基-寡核苷酸（SH-POY2T）覆盖2 nm金纳米颗粒（Au-TIOP NPs），POY2T可与c-myc癌基因的P2启动子结合形成三链体结构并下调癌细胞的c-myc表达。
同时，设计了另一条单链序列名为CA，以与POY2T序列的尾部互补杂交，从而阻断了POY2T与c-myc癌基因结合的能力。最终，2 nm Au-POY2T NPs和CA序列自组装成大尺寸的向日葵状结构。TEM和bio-TEM结果表明，Au-TIOP NPs呈现200 nm大小的向日葵状的纳米结构。
图2. 多级次纳米向阳花的表征
要点2：纳米结构的表面等离子体共振和光热表征
先前的研究表明，金纳米颗粒的表面等离子体效应可能由于自组装或团聚而改变。结果显示，相比于单分散的单个2 nm Au-POY2T NPs，在DNA介导的自组装过程之后获得的纳米结构在NIR区域显示出宽而强的吸收。
在NIR照射下，有明显的光热效果。而且，均匀的大尺寸纳米向阳花具有光热分解特性。在热诱导NIR辐射的作用下，大尺寸结构分解为较小的部分，并生成了超小尺寸单元（Au-POY2T NPs）。
图3.自组装纳米结构的光热性质和分解行为研究
要点3. 细胞摄取
研究人员用过细胞经过2 nm Au-POY2T NP、自组装纳米结构和自组装纳米结构+NIR处理，在不同的预孵育时间（1、3、6和12小时）提取细胞核用于ICP-MS分析 细胞摄取情况。
这些结果表明，通过调节细胞预培养时间和NIR照射时间点，可以很好地控制Au-POY2T NP在细胞核中的分布。同时，结果也表明，与游离POY2T序列和单个Au-POY2T NP相比，可变形纳米结构在c-myc癌基因和癌蛋白沉默中具有出色的能力。
图4.自组装纳米结构的体外细胞定位和基因沉默研究
要点4：肿瘤生长抑制研究
接着，研究人员使用在BALB/c上构建的MCF-7乳腺肿瘤模型来证明可控的纳米向日葵在体内的抗肿瘤作用。在构建模型后的9,12,15天注射各组纳米粒子，并在注射后1, 3, 6, 12 h给予NIR光照。
研究结果发现，在静脉注射后12h照射的纳米向日葵治疗组中显示出显著的抗肿瘤作用，对比发现，肿瘤体积约为对照组的1/10，表明沉默基因单位被有效递送至肿瘤部位。而且纳米向日葵对正常组织没有明显的毒副作用，而对肿瘤有优异的治疗能力。
图5. 自组装纳米结构抑制肿瘤生长研究
小结
综上所述，这项工作设计并构建了一种DNA介导的自组装纳米结构用于进行肿瘤基因治疗，为构建可通过外部条件控制调节基因表达水平的可变形基因载体提供了新的借鉴，而且也进一步证明了Au纳米药物的可行性。
参考文献：
Huo, S. et al. Gold-DNA nanosunflowers for efficient gene silencing with controllable transformation. Science Advances 2019, 5, eaaw6264.
https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaaw6264
课题组介绍：
梁兴杰，国家纳米科学中心研究员，博士生导师。主要从事纳米药物在生物体系中的构效机制，优化纳米药物的成药性并且用于临床研究。
国家杰出青年基金获得者(生物材料和纳米医学)，中国科学院纳米材料的生物医学效应和纳米安全重点实验室副主任， 中国科学院纳米科学卓越中心纳米药物组组长。《Biophysics Reports》 和 《Biomaterials》 杂志副主编， 《ACS Nano》 建议编委会杂志编委, 《Current Nanoscience》, 《Theranostics》, 《Biomaterials Research》等杂志编委及《Biotechnology Advances》杂志客座编委。
课题组网站
http://www.nanoctr.cas.cn/liangxingjie/