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DNA 納米機器人的設(shè)計和工作原理

近日，國家納米科學中心研究員聶廣軍、丁寶全，中國科學院院士趙宇亮課題組與美國亞利桑那州立大學顏灝課題組合作，在醫(yī)學納米機器人腫瘤治療研究中取得進展。相關(guān)研究成果以 A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo 為題，發(fā)表在 Nature Biotechnology 上。

惡性腫瘤（癌癥）是危害人類健康的一大殺手。腫瘤的血管系統(tǒng)與腫瘤的生長、侵襲及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。通過阻塞腫瘤血管的營養(yǎng)和氧氣輸運從而“餓死”腫瘤的治療思路目前已廣泛應(yīng)用于肝癌等惡性腫瘤的物理介入治療。但是，該方法在療效和安全性方面仍面臨較大局限性。血液中的凝血酶（thrombin）是機體凝血系統(tǒng)的一種關(guān)鍵酶，能夠快速地誘導血栓形成。如果將凝血酶作為特定的“貨物”裝載在納米機器內(nèi)部，靶向運輸并釋放至腫瘤血管，誘導凝血產(chǎn)生血栓，就可以通過栓塞腫瘤達到抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的目的。

根據(jù)該設(shè)想，國家納米中心團隊發(fā)展了基于超分子自組裝的 DNA 納米機器人，用于活體運輸凝血酶進行腫瘤治療。利用 DNA 折紙術(shù)構(gòu)建智能化的分子機器，通過自組裝將“貨物”凝血酶包裹在分子機器的內(nèi)部空腔，使其與外界底物隔絕而處于非活性狀態(tài)；分子機器兩端裝載有“雷達”核酸適配體，提供靶向識別和定位功能；當 DNA 納米機器人到達腫瘤血管時，納米機器上的“鎖”識別特異標志物而發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使得“鎖”從閉合狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，整個納米機器由管狀結(jié)構(gòu)打開變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)，暴露出內(nèi)部裝載的“貨物”進而實現(xiàn)誘導栓塞的功能。

在細胞和活體水平的驗證結(jié)果顯示，這種 DNA 納米機器人可以實現(xiàn)凝血酶在活體內(nèi)的運輸和定點栓塞，對包括乳腺原位腫瘤、黑色素瘤、卵巢皮下移植瘤和原發(fā)肺部腫瘤在內(nèi)的多種腫瘤都有良好的治療效果。由于 NDA 納米機器人可以實現(xiàn)的腫瘤定位，整個體系有效用量很低；同時，DNA 納米機器人還有*的識別響應(yīng)功能，僅在腫瘤血管標志物存在時才啟動活化凝血酶。這些性質(zhì)保證了裝載有凝血酶的 DNA 納米機器人具有*的特異性，且在小鼠模型和迷你豬模型上都表現(xiàn)出良好的安全性。

該研究有望為腫瘤血供阻斷治療策略提供一種低毒的藥物新劑型。以該 DNA 納米機器人強大的活體運輸和響應(yīng)識別功能，作為智能化的給藥平臺，進行多種藥物的聯(lián)合遞送，有望對傳統(tǒng)難以成藥的物質(zhì)（如毒素、蛇毒蛋白等）實現(xiàn)有效包載和智能遞送，進而推動全新抗腫瘤藥物的開發(fā)，在納米藥物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

國家納米中心李素萍、蔣喬、劉少利、張銀龍為論文的共同*作者。Nature Biotechnology 同期以 Smart Cancer Therapy with DNA Origami 為題對該研究進行了專門評述，認為“中國科學家嘗試利用醫(yī)學納米機器人治療腫瘤等惡性疾病，這種新穎的納米機器人將改變?nèi)藗儗λ幬镙斶\的傳統(tǒng)觀念，為更有效的腫瘤治療提供全新策略”。此外，Nature Reviews Cancer 和 Science Translational Medicine 也對該研究進行了評述及推薦。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部納米重點專項和重點研發(fā)計劃、中科院前沿科學重點研究計劃、北京市科委科技計劃、國家杰出青年基金等的資助。(生物谷 )