近期，天津大学化工学院仰大勇教授团队在 Advanced Functional Materials和 Nano Today上发表关于脱氧核糖核酸（DNA）与上转换纳米颗粒（UCNP）复合组装构建功能材料的最新进展。发展了基于DNA与UCNP复合组装的闪速成胶新方法（AFM）；构建了比率成像信号转换器，实现了药物释放实时监测（Nano Today）。研究得到国家自然科学基金等资助支持。
DNA作为天然的生物大分子，在构建生物功能材料方面具有独特的优势。近年来，研究人员利用DNA制备了多种DNA功能材料，例如较典型的水凝胶和纳米组装体，并探索在药物递送、组织工程和软体机器人等领域的应用。为了拓展DNA功能材料的功能和应用范围，在材料体系中引入其他功能组分，并探索新的组装模式，是推进该领域发展的有效途径。
团队将UCNP引入到DNA材料体系中，发展了DNA与UCNP的组装策略。UCNP富含稀土离子，表面呈正电荷，与DNA的磷酸基团之间有很强的静电相互作用和配位作用。UCNP不仅具有优异的光稳定性和化学稳定性，而且近红外激发光穿透深度深，成像过程无自发荧光干扰，在生物医学领域有着广泛的应用前景。特别地，通过调变稀土掺杂的比例，可以获得多重清晰的反斯托克斯发射峰，因而UCNP可以作为比率成像的理想光源。
图1. DNA和UCNP组装闪速合成水凝胶
首先，团队利用DNA与UCNP之间独特的相互作用，发展了一种闪速合成水凝胶的策略，水凝胶的合成过程在1秒之内完成。在实验结果和分子模拟的基础上，提出了闪速成胶的分子机制：首先，带负电的DNA链与带正电的UCNP通过静电吸引作用，缩短空间距离；然后，DNA的磷酸基团与UCNP表面的钇离子（Y 3+）通过配位作用，驱动DNA链在UCNP表面发生界面组装；最终，DNA链以UCNP为交联点，形成三维的水凝胶网络。DNA链的长度和UCNP的晶体形式是调控水凝胶网络构建的重要因素。在DNA分子中设计适配体序列，可以使水凝胶具有精确识别和分离特定细胞的功能。除此之外，利用水凝胶中UCNP的反斯托克斯发光过程，将长波长的光转换为短波长的光，可以有效保护细胞免受近红外辐照造成的热损伤。这种水凝胶合成策略不依赖DNA序列，具有很好的通用性和扩展性，可望用于生物涂层和3D打印等场景。
图2. DNA-UCNP纳米复合组装体作为信号转换器实现细胞内药物释放实时监测
进一步，面向精准医学的应用需求，团队合成了DNA/UCNP纳米复合组装体，解决由于复杂环境波动和剂量变化造成的药物释放监测不准确的难题。首先，环状DNA模板在UCNP的表面进行界面组装；然后，通过酶促滚环扩增反应合成超长单链DNA，进一步外延组装。合成的纳米复合组装体作为监测细胞内药物释放的信号转换器。环状DNA模板中包括装载化疗药物的双链区域、靶向肿瘤细胞的适配体区域和响应肿瘤微环境的发夹/i-motif开关区域。UCNP的光发射峰与抗肿瘤药物的光吸收峰相匹配，从而实现药物释放到光信号的高效转换。信号转换器在肿瘤部位高效富集，响应性释放药物。通过监测发光强度比值的变化，可以计算出实时的药物释放量。该比率成像系统在小鼠乳腺癌皮下肿瘤模型中实现了药物释放的实时监测，有效降低了体内微环境和剂量变化对监测的影响。信号转换器可以兼容紫外到近红外范围内有光吸收的药物分子，因而这一比率成像实时监测系统具有扩展性，可以为药物载体的药代动力学研究提供新的工具。
AFM原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202107267
Nano Today原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101352
仰大勇课题组以生物大分子DNA为研究主线，聚焦DNA生物功能材料化学组装与智能制造，并用于生命分析和疾病治疗。课题组主页：yanglab-dna.com
来源：高分子科学前沿
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