南京邮电大学团队开发「智能DNA溶栓纳米机器人」

如今，血栓造成的各类血管阻塞性疾病已经成为威胁人类健康的“头号杀手”。溶栓是治疗包括脑卒中、肺栓塞、心肌梗塞等急性血管阻塞性疾病的首选方法。组织纤溶酶原激活剂（又称组织型纤维蛋白溶酶原激活剂，tPA），能够选择性地高效激活血栓中纤溶酶原成为纤溶酶进而水解血栓中的纤维蛋白实现溶栓，是目前用于溶栓治疗的主要药物。

然而，使用 tPA 溶栓药物进行治疗存在一些副作用，比如，过度激活的纤溶酶可能会无差别地水解纤维蛋白并导致机体凝血功能异常造成出血风险，尤其是高龄患者还可能会引发致命性脑溢血。因此，如何实现精准溶栓（准确的靶向血栓和精确的给药剂量），减少脱靶和过量效应，是当前医学界的主要研究方向之一。

近日，南京邮电大学材料科学与工程学院/信息材料与纳米技术研究院、有机电子与信息显示国家重点实验室汪联辉教授、晁洁教授、高宇副教授团队开发出一种能够精准靶向递送 tPA 溶栓药物的“智能 DNA 溶栓纳米机器人”，并在动物试验中显示出良好的疗效，为今后的临床溶栓治疗提供了一种新策略。目前，这项研究成果已经以“An intelligent DNA nanodevice for precision thrombolysis”为题发表在Nature Materials上。

（来源：Nature Materials）

在生命科学领域，DNA 不但是遗传物质，其实也是一种绝佳的生物材料。DNA 纳米技术以人体的四种碱基为基本单元，精确构建功能模块并通过有序自组装可实现自动执行一系列任务。而DNA 折纸技术则是 DNA 纳米技术中的一个重要分支，其基于 DNA 的 A（腺嘌呤）-T（胸腺嘧啶）和 C（胞嘧啶）-G（鸟嘌呤）配对原则，通过对序列编程在纳米尺度下实现对 DNA 的精准控制，即把 DNA 分子作为一种生物材料“折叠”成任意大小和形状的结构。

▲图｜智能 DNA 溶栓纳米机器人的设计与表征（来源：Nature Materials）

在这项研究中，汪联辉和团队首先基于 DNA 折纸技术构建出矩形纳米片（尺寸为 90×60 nm），然后在纳米片表面装载 tPA 溶栓药物分子，并实现了药物分子在空间和数量上的精确可控。

接下来，他们将矩形纳米片进行卷曲，形成的纳米管状结构可以有效保护内部的溶栓药物活性，并巧妙地利用 DNA 三链结构设计了一种能够进行逻辑运算的“DNA 纳米锁”。

需要注意的是，这种纳米机器人进行逻辑运算的核心是含有凝血酶适配体的 DNA 纳米锁，其能够按照设定顺序实现对凝血酶的追踪识别、逻辑运算、响应打开等一系列任务；更为关键的是，通过调节凝血酶适配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的凝血酶浓度的不同响应范围。

具体而言，DNA 纳米锁充当凝血酶识别器、阈值控制器和开关，静脉注射这种 DNA 溶栓纳米机器人后，由于凝血酶和凝血酶适配体之间的高亲和力，有效促进了纳米机器人在血栓部位的积累，并且只有当凝血酶的浓度超过阈值时，纳米管状结构才会被激活和打开，从而释放出 tPA 药物进行溶栓。

▲图｜阈值控制器对 DNA 纳米机器人的凝血酶响应开放（来源：Nature Materials）

随后，研究团队分别在脑卒中、肺栓塞、颈动脉及腿静脉血栓模型动物中进行试验验证。通过静脉给药后，这种配备有定量凝血酶浓度阈值控制器的智能 DNA 纳米溶栓机器人在动物体内实现针对凝血酶浓度的逻辑运算，能够根据血栓和伤口凝块中凝血酶浓度的差异进行准确区分（血栓和正常纤维蛋白凝块），进而实现智能化给药。精准的血栓靶向和精确的给药剂量，显著降低了溶栓药物造成的凝血异常。

结果显示，相较于常规 tPA 溶栓药物，搭载智能 DNA 溶栓纳米机器人的溶栓药物对脑卒中的溶栓效率提高了 3.7 倍，对肺栓塞的溶栓效率提高了 2.1 倍，此外，完全溶栓所需的给药剂量相较于常规 tPA 剂量降低了 6 倍。

▲图｜DNA 纳米机器人在大脑中动脉栓塞模型动物中提高了治疗效果（来源：Nature Materials）

进一步分析研究显示，这种治疗策略能够有效降低常规溶栓药物导致的凝血异常，将脑卒中患者的治疗窗口期从症状发生后的 3 小时延长到 6 小时，为患者接受溶栓治疗争取更多宝贵时间，进而让更多患者获益。

安全性方面，这种智能 DNA 溶栓纳米机器人是由碱基构成的，可通过体内的酶进行降解并经过肝脏、肾脏等的代谢再次被组织回收利用，拥有较好的生物相容性，具有临床转化前景。

总的来说，这项研究创新地将药物装载、追踪识别、运算响应等功能模块构建成为一种智能化的 DNA 纳米机器人，静脉输入血管后能在复杂的病/生理环境下精准识别凝血酶，并通过对凝血酶浓度的逻辑运算区分血栓和正常纤维蛋白凝块，进而实现精准靶向血栓的药物递送，减少了脱靶和过量效应，为溶栓治疗带来了一种全新策略。

对于接下来的研究动向，该团队计划在未来 3-5 年内完成这种智能 DNA 溶栓纳米机器人在大型动物模型中的有效性和安全性评估，以及成药性研究，后续还将开展规模化生产和工艺优化，以及后续的临床试验申报等，以期让这种新治疗策略早日造福血栓患者。

▲图｜南京邮电大学汪联辉教授、晁洁教授、高宇副教授（来源：南京邮电大学官网）

汪联辉教授、晁洁教授、高宇副教授为这篇论文的共同通讯作者，博士生印珏、王思雨、王嘉辉为论文的共同第一作者。汪联辉是南京邮电大学教授、博士生导师，他课题组的研究方向涵盖纳米光电材料、生物光电子学以及生物传感器等领域。此前，他和团队曾进一步开发基于量子点、石墨烯等纳米光电材料的新型生物传感器及其检测技术，并成功用于生物分子的高灵敏、高特异性检测，此外他还提出并证明了“猝灭群体感应”防治细菌侵染动植物的新概念，为动植物细菌病害的防治开辟了新途径。

晁洁是南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院教授、研究员，她的研究方向主要围绕“单分子基因检测”，目前已在新型化学自组装体系开发、多功能智能纳米探针研制，以及单碱基基因分析等方面取得了一系列研究成果。

高宇是南京邮电大学材料科学与工程学院/信息材料与纳米技术研究院副教授，他的研究方向主要围绕微纳米技术在生物医学领域的应用，包括智能微纳材料在心血管和肿瘤等重大疾病中的应用、超声造影及药物递送系统的设计与应用，以及智能响应生物材料在组织工程中的应用等。

素材来源官方媒体/网络新闻

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