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圖1. USD納米系統(tǒng)的合成過程及其在時(shí)空控制基因沉默和氣體協(xié)同癌癥治療中的應(yīng)用示意圖。

本工作開發(fā)了最終一種智能納米平臺（USD），它結(jié)合了NIR光觸發(fā)的NO釋放和APE1誘導(dǎo)的治療性DNAzymes激活，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空特異性的氣體-基因協(xié)同治療（圖1）。該納米平臺由三個(gè)不同的部分組成：1)UCNPs作為光傳感器；2)S-亞硝基-乙酰青霉胺（SNAP）作為NO供體；3)基于DNAzymes的AP-Dz作為APE1激活的基因沉默單元。具體來說，AP-Dz是通過DNAzymes與AP鏈雜交建立的，其中DNAzymes可以靶向并切割靶標(biāo)生存蛋白（survivin mRNA），而AP鏈（包含兩個(gè)apurinic/apyrimidinic（AP）位點(diǎn)）通過與DNAzymes雜交抑制其基因治療活性。當(dāng)納米系統(tǒng)在腫瘤部位積累后，NIR光照射使能量從UCNPs轉(zhuǎn)移到SNAP而產(chǎn)生NO，導(dǎo)致DNA損傷實(shí)現(xiàn)NO氣體治療。此外，在腫瘤細(xì)胞質(zhì)中過表達(dá)的APE1可以誘導(dǎo)AP-Dz在AP位點(diǎn)的裂解，恢復(fù)DNAzymes的基因治療活性。值得注意的是，NO介導(dǎo)APE1從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的易位提高了DNAzymes的激活效率，從而提高基因沉默效果?？傊?/span>NIR觸發(fā)的級聯(lián)效應(yīng)納米系統(tǒng)提高了基因沉默的準(zhǔn)確性和治療效率，顯示了基因-氣體協(xié)同治療的潛力。

圖2 溶液相實(shí)驗(yàn).

作者首先對USD響應(yīng)相關(guān)性能進(jìn)行了驗(yàn)證（圖2）。溶液相熒光實(shí)驗(yàn)證明，AP-Dz對APE1酶具有良好的響應(yīng)性能，且當(dāng)將靶標(biāo)mRNA，AP-Dz和APE1酶共孵育時(shí)，DNAzymes表現(xiàn)出高效的mRNA切割能力。由于該納米平臺中UCNPs在NIR照射下的發(fā)射光譜與NO供體的吸收光譜存在明顯重疊，作者探究了NIR照射下該納米平臺的NO釋放能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著NIR照射時(shí)間的延長，溶液中NO濃度不斷提高，顯示出該納米平臺產(chǎn)生NO的能力。

圖3 細(xì)胞內(nèi)NO產(chǎn)生與APE1響應(yīng)驗(yàn)證.

隨后作者在細(xì)胞水平考察了該納米系統(tǒng)的NO產(chǎn)生能力（圖3），共聚焦實(shí)驗(yàn)證明USD在NIR照射下有效產(chǎn)生NO，而黑暗條件下NO產(chǎn)生水平幾乎可以忽略。通過蛋白免疫印記（WB）實(shí)驗(yàn)，作者驗(yàn)證了該納米系統(tǒng)在NIR照射下引起了HeLa細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中APE1表達(dá)水平的上調(diào)，并通過共聚焦實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AP-Dz在細(xì)胞中對APE1的響應(yīng)能力。共聚焦圖片顯示，相對于nAP-USD和nAP-USD+NIR組，USD處理組的HeLa細(xì)胞顯示出增強(qiáng)的紅色熒光信號，證明了AP-Dz響應(yīng)于腫瘤細(xì)胞質(zhì)中高表達(dá)的APE1酶后釋放DNAzymes。特別強(qiáng)調(diào)的是，USD+NIR處理組的HeLa細(xì)胞顯示出更強(qiáng)的的熒光信號，這是由于NIR激發(fā)USD產(chǎn)生NO，NO引起細(xì)胞質(zhì)中APE1水平的升高，增強(qiáng)了AP-Dz的激活效果。

進(jìn)一步對USD的基因沉默和NIR光控NO釋放在細(xì)胞內(nèi)治療效果進(jìn)行了探究（圖4）。實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qRT-PCR）和蛋白免疫印記（WB）實(shí)驗(yàn)證實(shí)，NIR激發(fā)的級聯(lián)效應(yīng)將有效提高靶標(biāo)蛋白的沉默效果。另外，細(xì)胞毒性與活死染色實(shí)驗(yàn)證明，NO也將直接參與腫瘤殺傷，最終實(shí)現(xiàn)基因-氣體協(xié)同抗腫瘤效果。

除此之外，小鼠宮頸癌腫瘤模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該納米系統(tǒng)在NIR激發(fā)下展現(xiàn)出良好的協(xié)同抗腫瘤能力（圖5），突顯了該納米平臺在精準(zhǔn)、高效抗腫瘤中的應(yīng)用潛力，也為DNAzymes在疾病精準(zhǔn)治療中的應(yīng)用提供了參考范例。

本工作開發(fā)了一種NIR觸發(fā)的級聯(lián)效應(yīng)納米系統(tǒng)，用于時(shí)空精確可控的基因沉默和氣體-基因協(xié)同癌癥治療。在這個(gè)納米系統(tǒng)中，UCNPs作為光轉(zhuǎn)換器，在NIR光下產(chǎn)生NO來介導(dǎo)氣體治療。同時(shí)，產(chǎn)生的NO誘導(dǎo)了APE1的亞細(xì)胞重定位，從而提高了DNAzymes的激活效率。這種NIR觸發(fā)的級聯(lián)效應(yīng)允許時(shí)空控制的基因沉默和基因-氣體協(xié)同治療，在體外和體內(nèi)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的抗癌效果。

論文第一作者為深圳大學(xué)博士后程亞如，通訊作者為深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院董海峰教授。本工作得到了國家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金，深圳市醫(yī)學(xué)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目，廣東省珠江團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和中國博士后科學(xué)基等項(xiàng)目的資助。

董海峰，國家優(yōu)青，深圳大學(xué)特聘教授/博導(dǎo)，深圳大學(xué)發(fā)展規(guī)劃部副主任兼學(xué)科建設(shè)辦公室主任，校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，深圳市納米生物傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要從事生物分子傳感及納米藥物分析研究。2010年以來，在Chem. Rev., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater.等雜志發(fā)表SCI論文167篇，論文被引用12000余次。出版中英文專著2本，主編英文專著1本。2020-2023年科睿唯安全球高被引科學(xué)家，入選斯坦福大學(xué)“2020-2022全球前2頂尖科學(xué)家”名單及終生榜單。主要研究方向：生物傳感、microRNA分析檢測、納米診療。