基于分子識別的外泌體納米界面原位DNA組裝

符 婷 彭瑞資 劉巧玲

(湖南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410082)

基于分子識別的外泌體納米界面原位DNA組裝

符 婷 彭瑞資 劉巧玲＊

(湖南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410082)

細胞膜是一類間隔細胞內(nèi)外環(huán)境的具有生物活性的界面，膜表面的受體通過外界物質(zhì)刺激調(diào)控胞內(nèi)的生化反應(yīng)，從而影響細胞乃至整個生命體的進程。對細胞膜表面進行改造和功能化，從而實現(xiàn)原位識別、組裝并調(diào)控細胞膜表面結(jié)構(gòu)在癌癥檢測和治療等方面具有重要的作用1。外泌體是細胞向胞外分泌的納米級囊泡樣膜包被小體，在細胞間的通訊、腫瘤早期診斷、心肌損傷保護和藥物運輸?shù)妊芯款I(lǐng)域展現(xiàn)重要的應(yīng)用價值2-4。雖然利用DNA納米技術(shù)在構(gòu)筑功能化細胞膜等方面取得了一系列的研究進展5,6，然而，納米級的外泌體作為具有生物活性的納米材料，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)遠不同于微米級的細胞。如果能夠以較為簡單有效的方式在外泌體表面修飾功能分子，從而使外泌體集成靶向、成像以及運載等多種功能于一體，將會進一步拓展外泌體的生物學(xué)應(yīng)用。因此，如何有效地在外泌體這種具有生物活性的納米界面進行原位組裝，從而獲得功能化的外泌體仍然是具有挑戰(zhàn)性的工作。

最近湖南大學(xué)化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室和美國佛羅里達大學(xué)譚蔚泓教授帶領(lǐng)的研究團隊首次報道了基于核酸適體的分子識別作用在外泌體表面進行DNA組裝，獲得表面修飾有DNA納米結(jié)構(gòu)的功能化外泌體，實現(xiàn)了DNA納米結(jié)構(gòu)在納米界面的原位組裝，這種“nano on nano”的構(gòu)建策略為功能化生物納米材料提供了研究思路，拓展了該方法在材料、納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的應(yīng)用。該研究成果以題為“Molecular Recognition-Based DNA Nanoassemblies on the Surfaces of Nanosized Exosomes”的論文發(fā)表在Journal of the American Chemical Society雜志上7。

在該研究中，他們利用核酸適體對外泌體表面標志物的特異性識別作用以及核酸適體嵌合體引發(fā)的DNA雜交鏈式反應(yīng)(HCR)來實現(xiàn)選擇性原

位DNA組裝：首先利用核酸適體LZH8與靶細胞分泌的外泌體的特異性結(jié)合，將核酸適體LZH8的嵌合體修飾到外泌體表面，而嵌合體部分則作為開關(guān)引發(fā)M1和M2兩條單鏈的雜交鏈式反應(yīng)，獲得LZH8納米組裝體(LZH8-NAs)。動態(tài)光散射(DLS)、透射電子顯微鏡(TEM)、流式細胞術(shù)等研究表明LZH8-NA能夠在靶細胞HepG2所分泌的外泌體表面進行原位組裝，相比傳統(tǒng)的基因工程和化學(xué)修飾等手段，此方法無須復(fù)雜的操作和較高的實驗要求，顯示出DNA納米結(jié)構(gòu)在納米級的細胞器上進行組裝的優(yōu)異之處。由于核酸適體對不同類型細胞分泌的外泌體具有選擇性，因此，可以實現(xiàn)特定的外泌體表面組裝。他們考察LZH8-NA可在肝癌細胞(HepG2)而非正常細胞(如Hu1545)分泌的外泌體表面進行原位組裝，并且通過熒光信號的放大，可實現(xiàn)對含量較低的蛋白進行檢測。此工作是繼2013年該團隊報道“DNA納米火車”8以來再次利用該納米結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。該工作推動了DNA納米結(jié)構(gòu)在具有納米級生物活性界面進行組裝的進一步研究。

(1) Wu, C.; Han, D.; Chen, T.; Peng, L.; Zhu, G.; You, M.; Qiu, L.; Sefah, K.; Zhang, X.; Tan, W. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18644. doi: 10.1021/ja4094617

(2) Valadi, H.; Ekstrom, K.; Bossios, A.; Sjostrand, M.; Lee, J. J.; Lotvall, J. O. Nat. Cell Biol. 2007, 9, 654. doi: 10.1038/ncb1596

(3) Christianson, H.; Svensson, K.; van Kuppevelt, T.; Li, J.; Belting, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 17380. doi:1073/pnas.1304266110

(4) Tkach, M.; Thery, C. Cell 2016, 164, 1226. doi:10.1016/j.cell.2016.01.043

(5) Altman, M.; Chang, Y.; Xiong, X.; Tan W. Sci. Rep. 2013, 3, 3343. doi: 10.1038/srep03343

(6) Zhu, G; Zhang, S; Song, E; Zheng, J.; Hu, R.; Fang, X.; Tan, W. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 5490. doi: 10.1002/anie.201301439

(7) Wan, S.; Zhang, L.; Wang, S.; Liu, Y.; Wu, C.; Cui, C.; Sun, H.; Shi, M.; Jiang, Y.; Li, L.; Qiu, L.; Tan, W. J. Am. Chem. Soc. 2017, doi: 10.1021/jacs.7b00319

(8) Zhu, G.; Zheng, J.; Song, E.; Donovana, M.; Zhang, K.; Liu C.; Tan W. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 7998. doi:10.1073/pnas.1220817110

In situ DNA Assembly on the Surfaces of Nanosized Exosomes Based on Molecular Recognition

FU Ting PENG Rui-Zi LIU Qiao-Ling＊
(College of Life Sciences, Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University, Changsha 410082, P. R. China)

10.3866/PKU.WHXB201704134