核酸自組裝納米遞送載體的研究進展

陳可仁， 汪未申， 朱龍佼， 張洋子,， 賀曉云， 黃昆侖， 許文濤*

1.中國農業(yè)大學營養(yǎng)與健康系，食品精準營養(yǎng)與質量控制教育部重點實驗室，北京100083；2.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京100083

近年來，核酸材料由于其良好的生物相容性、易得性和可編程性等特性，在各個領域應用均較廣泛，為構建復雜納米結構和納米器件提供了理想材料。核酸自組裝納米結構因具有形貌可控、分子識別精準、成本低、毒性低、可任意編程和設計等特點，目前，已廣泛應用于藥物遞送、細胞成像、生物傳感、材料科學等領域［1-3］。核酸納米遞送載體在生物醫(yī)學領域展現(xiàn)出巨大潛力，一定程度上解決了藥物遞送領域亟待完善的問題。本文對于核酸納米載體的組裝方式、分子識別靶向策略、藥物控制釋放的相關方法及其在藥物遞送領域的應用進行了綜述，旨在為核酸自組裝遞送載體的研究及臨床應用提供參考。

1 核酸自組裝

1982 年，Seeman 等［4］提出DNA 可以作為結晶客體分子的合成骨架，這將人們對于核酸的認識從一種生命必需的遺傳物質拓寬至納米級別的良好材料。目前，科學家們已經基于核酸材料構建了不同的DNA、RNA 自組裝結構，并且將其與多種材料結合，成功推動了核酸自組裝領域和多種構建策略的發(fā)展（圖1）。

圖1 核酸自組裝納米遞送載體的研究進展Fig.1 The research progress of nucleic acid-based self-assembling nanocarriers

1.1 DNA自組裝納米載體

DNA 瓦片（DNA tiles）自組裝是將≥2 條的DNA 雙鏈在分子水平上連接成不同形狀的單元，然后將拼塊自下而上通過粘性末端組裝成DNA納米結構［5］。1982 年，Seeman 等［4］基于粘性末端和分支DNA 構建了多種二維、三維晶格結構，并提出了Holliday交叉結以及更多穩(wěn)定的DNA 瓦片單元［6］。DNA 瓦片技術能實現(xiàn)精準的層層自組裝，常用于組裝復雜的一維、二維DNA 納米籠，在制備周期性可重復的納米結構中有一定優(yōu)勢，但其制備和設計過程復雜、嚴苛，組裝效率較低，易發(fā)生錯配。因此，為了滿足應用需求，亟需探尋一種更簡潔、高效的自組裝策略。

2006 年，Rothemund 等［7］發(fā)明了DNA 折紙技術（DNA origami），即將較長的單鏈DNA 分子（7 000 nt）通過特定設計被較短的寡核苷酸鏈引導折疊成具有特定二維形狀的圖形。DNA 折紙作為一種自下而上制備新型納米組裝體和納米器件的理想方法，極大程度推動了核酸納米技術的發(fā)展，該方法對鏈間序列的對稱性無嚴格要求，可有效避免錯配，因此，自組裝效率較高。然而，體內核酸酶的降解作用引起的不穩(wěn)定性和組裝的高成本在一定程度上限制了DNA 折紙技術在藥物遞送和臨床試驗中的應用。

模塊化自組裝法將DNA 瓦片和DNA 折紙技術的優(yōu)點有機結合，將各個分散的模塊逐步合并，避免了DNA 瓦片組裝的復雜設計以及DNA 折紙結構的不穩(wěn)定性［3，8］?；谄洫毺貎?yōu)勢，該方法更適合制備體積更大、結構更復雜和靈活度更高的DNA納米結構。

1.2 RNA自組裝納米載體

RNA 由于生物相容性和體內選擇性較高，加之RNAi 治療技術的迅猛發(fā)展，近年來RNA 納米組裝體在藥物遞送領域，尤其是基因藥物遞送方面受到了廣泛關注。

2006 年，Syehan 等［9］首次提出了基于滾環(huán)轉錄技術（rolling circle transcription，RCT）的自組裝策略。利用RCT 技術能夠體外轉錄出可重復性的長RNA 單鏈的特性，通過對環(huán)狀模板的特定設計，組裝體內可包含各種功能單元；并且通過控制轉錄條件，RCT 自組裝納米結構的形貌、大小可控，能夠在一定時間內高效合成結構致密、穩(wěn)定的RNA 納米載體。此外，RNA 能通過化學偶聯(lián)或雜化自組裝形成結構致密、可編程和相對穩(wěn)定的高分子聚合物，如巰基修飾的策略已廣泛應用于RNA 偶聯(lián)自組裝的研究中［10］。RNA 單鏈間能夠通過形成可裂解的二硫鍵實現(xiàn)自組裝，這類策略一方面提高了RNA 納米結構的致密性，增加其在血液循環(huán)中的停留時間；另一方面可為藥物的刺激響應釋放提供機會，進而提高治療效果。

RNA 納米技術因其獨特的優(yōu)勢和理想的應用前景引起了人們廣泛地關注，為保證藥物在體內復雜環(huán)境中仍具有可觀的藥效，研究人員應著力解決RNA 納米結構的大規(guī)模組裝和高效純化，以及其在體內溶酶體逃逸的問題。

1.3 復合材料納米載體

復合材料納米載體具有核酸材料可編程、分子識別精準、穩(wěn)定和特定生理活性的特點，且經特定設計，非核酸材料的引入一定程度上能夠提高核酸材料的組裝效率［11］，如金屬納米材料具有優(yōu)異的表面修飾性和穩(wěn)定性，并且其形貌、大小可控，具有相應的光熱性能，將核酸材料與金屬納米材料結合，能夠制備出基于光熱治療或光動力治療的癌癥治療平臺［12］；基于二氧化硅等無機材料獨特的物化性能，可以組裝核酸功能化的高效藥物遞送載體［13］；將核酸材料與脂類材料或高分子聚合物聯(lián)用，在提高細胞內化率、實現(xiàn)粒徑可控的同時可促進藥物在靶位點聚集，提高體內的生物安全性［14］。微納米領域在生物醫(yī)學方面潛力巨大，且材料間的優(yōu)勢互利在藥物遞送和臨床應用方面均有較高的價值。

2 核酸自組裝納米載體的靶向特性

精準的靶向識別是藥物遞送載體的重要性質之一。主動靶向作用使藥物在靶組織、細胞或亞細胞器中富集，在同等治療效果下能夠減少給藥劑量，提高藥物遞送系統(tǒng)的生物安全性，降低外源藥物引起的嚴重不良反應，并在一定程度上規(guī)避耐藥性，實現(xiàn)劑量可控、安全、高效和低成本治療。核酸自組裝納米載體能夠通過堿基互補配對原則高效負載核酸適配體，修飾小分子配基或負載蛋白，基于此，核酸遞送系統(tǒng)則能以多種方式精準識別靶部位。

核酸適配體是一類能夠與靶物質特異性結合的寡核苷酸序列［15］。藥物遞送系統(tǒng)中的核酸適配體靶向病癥組織細胞表面或胞內的生物標志物，即可將藥物選擇性地輸送至病癥部位，如AS1411或Sgc8 等均為癌癥靶向的經典適配體，在腫瘤治療領域應用廣泛［16］。此外，腫瘤細胞膜表面高表達葉酸受體、生物素受體、唾液酸殘基等物質，具有增加其惡性增殖的能力，有研究者應用此特性，在載體表面修飾相關小分子，構建腫瘤靶向的藥物遞送載體［17］。一些蛋白質或靶向肽也具有相應的選擇性結合功能，核酸載體通過搭載靶向性蛋白質即可提高藥物遞送的選擇性，使藥物在靶部位有效聚集［18］。但由于蛋白質是一種大分子物質，會增加藥物遞送載體的粒徑，因此，在載體設計時需綜合考慮遞送系統(tǒng)的結構和功能，使其兼具精準的靶向性和良好的內化效率。

3 核酸自組裝納米載體的刺激響應性

核酸自組裝納米載體具備較好的刺激響應特性，藥物在到達有效部位前的藥物泄露是導致藥物失效或藥效低下的主要原因，基于核酸材料的藥物遞送系統(tǒng)能夠通過元件設計，以高度可控的方式保護藥物不被降解，直至在靶部位被特定信號觸發(fā)，釋放藥物，極大程度保留了藥物的生理活性，相關研究為臨床緩釋藥物的設計提供了科學依據(jù)［19］?；谟|發(fā)信號的類型分類，核酸自組裝納米載體能夠響應腫瘤微環(huán)境，包括光、溫度、酶以及特定核酸等體內和體外信號。

低pH、氧含量和強還原性是腫瘤微環(huán)境的代表性特征［20］。研究者基于上述腫瘤疾病本身的特征作為觸發(fā)釋放的元件，當藥物與其載體循環(huán)至腫瘤部位時，載體發(fā)生變構或解體，內部藥物釋放，實現(xiàn)高效的治療作用，如i-motif 功能核酸元件能響應腫瘤部位的低pH，自身發(fā)生變構；二硫鍵能夠被腫瘤細胞高表達的谷胱甘肽還原斷裂，促使載體解體［21-23］。以上策略極大程度上降低了腫瘤治療過程中伴隨的嚴重不良反應。

光響應藥物遞送系統(tǒng)是另一類具有廣泛應用前景的遞送策略。連接有光裂解鍵的核酸納米載體能夠在特定波長的光刺激下，實現(xiàn)光交聯(lián)劑的裂解，進而使自身載體發(fā)生變構或解體，內部的藥物釋放至靶部位，進而治療疾?。?4］。光刺激響應方式還為癌癥的光動力治療和光熱治療應用奠定了理論基礎。被核酸納米負載的光敏劑能夠被特定波長的光激發(fā)，產生有害于細胞或組織的活性氧等物質，以促進腫瘤細胞的凋亡［25］；同時，金納米棒、銀納米簇等納米藥物也能響應光的刺激，產生大量熱量，實現(xiàn)腫瘤時空可控的治療目的，減少對正常組織的損傷［26］。

溫敏型材料能夠響應環(huán)境溫度變化實現(xiàn)變構，這類材料在不同溫度下的孔徑、粒徑大小或聚合度不同，可在藥物遞送領域對藥物實現(xiàn)包封和釋放模式的轉換［27］。有研究者在核酸納米籠結構中引入了熱敏發(fā)夾元件，通過溫度有效控制了蛋白酶在靶部位的釋放［28］。但由于機體溫度的相對穩(wěn)定，溫控藥物釋放系統(tǒng)在體內應用中需要體外元件輔助。

載體中的酶能夠通過裂解核酸納米載體觸發(fā)藥物的釋放，酶響應的藥物遞送系統(tǒng)可以不由任何外部輔助因子控制，而是通過細胞內源性酶類刺激藥物的釋放，如Dicer、DNase、RNase 等酶類在核酸材料結構控制方面具有各自的優(yōu)勢［29］，且均能實現(xiàn)藥物在體內的精準釋放，因此，在納米技術領域得到了廣泛的應用。

核酸納米遞送載體還能以高度特異性和選擇性的方式響應特定的核酸序列，從而控制藥物釋放過程。存在于靶細胞內的核酸標志物是一類有效的藥物釋放觸發(fā)器，經過特定設計的核酸納米籠能夠基于鏈置換反應或核酸變構實現(xiàn)表面孔隙度的變化，控制納米籠的開、關狀態(tài)［10，30］；而胞內的特定分子（如ATP 等）也可以與其存在于載體中的適配體結合，引起藥物遞送系統(tǒng)的變構，釋放藥物［17］。

4 核酸自組裝納米載體的應用進展

核酸自組裝結構作為一種納米遞送載體，在藥物遞送領域已被廣泛研究。核酸自組裝納米遞送載體能夠遞送蛋白質、小分子、核酸藥物、納米藥物等，在基因治療、免疫治療及化學治療中效果理想。

核酸自組裝納米遞送載體能夠搭載并攜帶蛋白酶或抗體等蛋白類物質進入體內，保護蛋白質在體循環(huán)中不被酶及代謝物分解，隨后在腫瘤或其他靶部位選擇性地釋放藥物，實現(xiàn)了提高藥效、降低不良反應的目的［31］。此外，包括阿霉素在內的部分常用癌癥小分子化療藥物能夠與核酸結構作用并實現(xiàn)高效的藥物包封及體內遞送，目前已被廣泛研究［21］。天然產物藥物良好的生物安全性和生物相容性使其成為理想的臨床藥物，但大多數(shù)存在體內穩(wěn)定性、水溶性和靶向性較差，生物利用率低及吸收率低等不足。核酸自組裝納米遞送載體能夠賦予天然產物藥物靶向性及可控釋放的特點，近年來，主要用于遞送紫杉醇、姜黃素、喜樹堿等小分子天然產物［32-34］。在遞送領域，核酸不僅是一種載體材料，其本身更是一種具有高度靶向性的治療藥物。通過設計特定的核酸自組裝納米載體能夠高效搭載任意核酸藥物，且能夠將干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）、微RNA（microRNA，miRNA）、反義寡核苷酸（antisense oligonucleotides，ASO）以及免疫核酸藥物遞送至靶位點，實現(xiàn)理想的基因治療效果，體現(xiàn)了核酸藥物及核酸載體在醫(yī)學領域的巨大潛力［35］。納米藥物由于其獨特的尺寸效應及較高的穩(wěn)定性，在光熱治療領域引起了研究人員的廣泛關注。近年來，核酸納米遞送載體常用于包封金、銀納米材料并將其遞送至靶部位，為納米藥物提供了一個理想的遞送平臺［12］。

5 展望

核酸具有高度可編程性，因此，基于核酸材料能組裝出各種多功能的納米結構，已廣泛應用于多個領域。在藥物遞送方面，核酸納米載體目前已經形成了相對成熟的納米組裝方式，實現(xiàn)了一定的靶向和刺激響應能力，能夠對蛋白質藥物、核酸藥物、小分子藥物和納米藥物等實現(xiàn)良好的組裝搭載效率，為更理想的治療效果和進一步的臨床應用奠定了理論基礎。未來核酸自組裝技術應實現(xiàn)更多元的設計，以實現(xiàn)搭載多種類型的遞送貨物，并應用于納米食品等新興領域；科研人員還應完善核酸自組裝結構的應用特性，進一步提高載體的靶向能力，開發(fā)智能控釋策略，以推進產業(yè)化進程。