南京邮电大学，最新Nature Materials！

智能DNA纳米器件，可实现精准血栓溶解

溶栓治疗的临床限制

静脉注射组织型纤溶酶原激活剂（tPA）仍然是临床上缺血性卒中，肺栓塞（PE）和其他血栓形成相关疾病的金标准治疗方法。不幸的是，由于tPA的缺点，包括出血并发症的高风险、循环半衰期短和靶向能力差，患者（即缺血性卒中患者中不到7%）受益于溶栓治疗的比例非常有限。而将tPA精确递送至血栓形成部位，以及tPA的按需释放以减少脱靶和过量效应，仍然是溶栓治疗的主要障碍。此外，由于涉及不同生理过程的血栓形成生物标志物（如凝血酶或纤维蛋白）的动态浓度，目前的策略均表现出了较差的递送准确性。因此，理想的纳米载体不仅应该靶向，而且应该识别生物标志物的局部浓度，从而只有在确定血栓形成部位时才能触发tPA的释放。因此，通过纳米载体精确控制tPA的装载、递送和释放，是极具挑战性且意义重大。

可作为药物递送平台的DNA纳米结构

研究显示，合理设计和制造结构明确的DNA纳米结构有望作为理想的药物递送平台。在DNA折纸纳米技术的基础上，可以构建形状和尺寸均匀的DNA纳米结构。定义明确且高度可寻址的DNA纳米结构允许药物分子和功能部分（包括靶向配体和刺激响应部分）以精确控制的数量和位置整合。使用这种策略，DNA纳米结构已被开发并用于肿瘤靶向和刺激反应递送抗癌药物和疫苗。然而，目前还尚未出现可用于体内溶栓治疗的DNA纳米结构。考虑到生物标志物的动态浓度和患者的异质性，设计制造可以区分正常凝血和血栓以通过逻辑操作触发tPA释放的可调阈值控制器件将极具前景。

智能DNA纳米器件

近期，南京邮电大学汪联辉教授/高宇副教授和晁洁研究员等人描述了一种使用智能DNA纳米器件精确递送和准确给药tPA的方法。作者使用DNA折纸将DNA纳米片与预先设计的tPA结合位点和凝血酶反应性DNA紧固件（fastener）整合在一起。其中，紧固件是一种互锁的DNA三链体结构，可作为凝血酶识别器、阈值控制器和开关。当装载tPA并在体内静脉内给药时，这些DNA纳米器件可迅速靶向血栓形成部位，追踪循环微栓子并仅在凝血酶浓度超过阈值时暴露活性tPA。研究证明了这一器件在缺血性中风和肺栓塞模型中改善的治疗效果，展现了这类纳米器件为治疗不同血栓提供准确tPA剂量的潜力。相关工作以“An intelligent DNA nanodevice for precision thrombolysis”为题发表在Nature Materials。

【文章要点】

一、tPA–DNA的设计构建

如图1所示，DNA纳米器件是基于具有多个功能元件的自组装DNA折纸设计而成的。首先通过将长单链支架链（M13mp18 DNA）与短钉链（staple strands）和功能链混合和组装，作者设计并制备了基于Rothemund方法的矩形DNA纳米片。DNA纳米片是一种很好的可寻址模板，能够将捕获链锚定到表面上预先设计的位置。为了实现tPA负载，tPA分子与硫醇化的poly-T DNA（单链ssDNA）化学缀合。随后，通过DNA杂交将tPA-ssDNA缀合物锚定在纳米片表面上延伸的不同预先设计数量的结合位点上。为了实现高tPA负载效率，作者进行参数优化并最终发现负载8个tPA的DNA纳米器件的产率最高，可达72.7%。在这一纳米片中，tPA分为两行，可精确控制间隔为21.7 ± 5.5  nm和16.4 ± 2.9 nm。同时，装载有八个tPA分子的DNA纳米装置也表现出了最佳的溶栓效率。

图1 设计构建tPA–DNA纳米器件

此外，作者通过将一条凝血酶适体交联链和两条锁定链以1:1:1的比例杂交，组装了互锁的DNA三链体结构，并利用该三链体结构作为紧固件可与DNA纳米片形成管状DNA纳米器件，从而在循环过程中保护tPA分子免受暴露。

二、通过阈值控制器实现凝血酶响应开放

通过调节凝血酶适体交联链和锁定链之间互补碱基的数量，可以实现可调阈值控制器对凝血酶浓度的动态响应。因此，在静脉注射tPA-DNA纳米器件后，DNA紧固件可充当凝血酶识别器、阈值控制器和打开开关。同时，凝血酶和凝血酶适体之间的高亲和力也促进了tPA-DNA纳米器件在血栓形成部位的积累。只有当凝血酶的浓度超过阈值，即正常凝血和血栓之间的差异时，纳米器件才会被激活，互锁的DNA三链体结构才会解离，从而暴露tPA分子进行溶栓（图2）。

图2 凝血酶响应的阈值控制器

三、治疗效果

在瞬时MCAO大鼠模型中，DNA纳米器件表现出了优异的靶向能力。同时，与对照组相比，用tPA-DNA纳米器件处理的MCAO大鼠的缺血体积较小，大鼠神经功能评分较低，能够以正常方式维持平衡，表明神经功能缺损得到改善。因此，tPA-DNA纳米器件可以提高溶栓疗效，并将tPA在MCAO大鼠模型上的治疗窗口延长至6 h。

此外，循环中的微栓子是通过血流传播的小颗粒。它们无法通过诊断成像进行追踪，但会导致身体各个部位血栓形成的风险增加，例如缺血性中风和肺栓塞（PE）。而在体外测定中，DNA纳米器件可主动追踪并有效捕获微栓子。而在PE动物模型中，DNA纳米器件可以选择性靶向PE小鼠的循环血凝块和血栓形成部位，并最大程度地减小血栓面积（图3）。

图3 改善PE模型的治疗效果

【结论与展望】

总之，作者开发了一种DNA纳米器件，可以精确剂量的tPA进行精确的溶栓治疗。可编程DNA纳米器件能够寻址和准确地加载药物分子，选择性跟踪和靶向血栓形成或循环微栓子的部位，以及响应凝血酶浓度的溶栓剂的按需释放，从而提高治疗效果，同时最小化副作用。鉴于精确递送溶栓剂对血栓形成的重要性，该研究结果提出了通过在血栓形成部位的生物标志物的基础上整合逻辑门来开发下一代智能DNA纳米器件的方法，进一步提高了递送的精确度和安全性。

来源：高分子科学前沿

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