基于多功能DNA纳米探针的癌症治疗与疗效原位评估研究

The development of multifunctional nanoprobe for cancer theranostics and detection of subsequent therapeutic effects is highly desirable for cancer personalized medicine. In this project, a multifunctional nanoprobe is designed and constructed by combing functional nucleic acid and DNA tetrahedron, which possess the properties of easy synthesis, well-controlled size and shape, surface chemistry, and obvious biocompatibility. The therapeutic properties and the efficacy assessment ability of the nanoprobe will be investigated in detail in molecular level, in living cells and in vivo. This system showed key advantages of high target recognition ability, intracellular controlled release of drugs triggered by endogenous stimuli. More importantly, endowed with a self-reporting module capable of visual detection of endogenous apoptosis marker, the multifunctional DNA probe directly monitored the biological effects of an intracellularly released drug from the DNA tetrahedron in real-time. The execution of this project would not only deepen and expand the application of the DNA nanomaterials in the crossing field of analytical chemistry and cancer medicine, but also provide the foundation for clarifying the mechanisms of anticancer drug action and understanding the apoptosis mechanism.

发展集诊断、治疗和疗效评估等功能于一体化的多功能纳米探针，对肿瘤的精准治疗具有十分重要的研究和应用价值。本项目拟以生物相容性好、结构精确可控、合成简单的DNA四面体为载体，结合功能核酸，构建多功能DNA纳米探针，在分子水平、细胞和活体组织水平探讨其在癌症治疗及疗效评估方面的作用。该新型探针不仅可以实现抗肿瘤药物的靶向递送和可控释放，还可以通过对凋亡标志物的直接可视化示踪，实时监测药物诱导的细胞凋亡，评价药物治疗效果。本项目的执行将深化和拓展DNA纳米材料在分析化学和肿瘤医学交叉领域研究中的应用，并为阐明抗肿瘤药物作用机理和深入理解细胞凋亡机制提供重要基础。

发展生物安全、高效的多功能纳米探针用于癌症的诊断与治疗是当前化学、生物、肿瘤医学领域研究的核心内容之一。本项目以生物相容性好、结构精确可控、合成简单的DNA四面体等DNA纳米结构为载体，以具有特异性肿瘤靶向识别能力的核酸适配体作为识别元件，以碱基嵌入的方式结合抗肿瘤药物，以功能核酸i-motif序列在肿瘤酸性微环境刺激发生构型变化作为响应释放机制，以细胞凋亡分子特异性响应肽为实时疗效评估模块，构建具有靶向识别能力、药物智能响应释放能力、药物治疗效果实时评估能力的多功能DNA纳米探针。项目首先合成了一种pH控制释放药物、ZY11适配体靶向肿瘤细胞、17E DNAzyme进行基因治疗的靶向SMMC-7721细胞的协同治疗型DNA四面体载药体系。并通过多种表征对结构的成功合成进行了证明，对体外pH控释性能、细胞内生物相容性、材料摄取率、药物释放和摄取、体外抑瘤效果等生物性能都做了详细的研究。结果表明以DNA四面体为核心，通过序列设计利用功能性核酸i-motif进行酸响应控制释放，结合适配体以及DNAzyme达到靶向肿瘤和协同治疗的目的，可以实现降低对正常细胞的毒副作用的同时，增加对肿瘤细胞的杀伤力。随后结合了凋亡因子Caspase-3的特异性响应肽，构建了多功能DNA纳米探针。纳米探针的载体模块对于pH的响应非常灵敏，在碱性条件下能装载药物，在酸性条件下能实现药物释放。这使得探针在细胞溶酶体能实现Dox的释放。通过赋予能够可视化检测活化Caspase-3表达的自反馈模块，可以准确评估早期治疗效果。同时，由于AuNPs的存在，使得两个模块在有机结合的同时，具备良好的稳定性，以抵抗细胞内复杂环境对于两个模块的降解，这一新开发的平台在未来的癌症治疗中具有巨大的应用潜力。本项目的实施不仅深化和拓展了DNA纳米材料在分析化学和肿瘤医学交叉领域研究中的应用，同时为阐明抗肿瘤药物作用机理提供了重要基础。