Advanced Science | 用于癌症治疗中多信号响应精准siRNA递送的级联DNA纳米电路

文章来源：北科纳米专业的纳米材料合成专家浏览次数：145时间：2026-11-02 设计合成：18101240246

精准控制核酸递送仍然是癌症治疗的关键挑战，尤其是在基于siRNA的基因沉默疗法中，脱靶效应限制了其临床转化。本文报道了一种可编程设计的DNA纳米电路，该电路具有级联的双“与”逻辑门，能够实现时空可控的siRNA递送策略，从而实现精准癌症治疗。该DNA纳米电路经过精心设计，能够按顺序响应三种肿瘤特异性信号：细胞外酸性pH、膜上过表达的核仁素（NCL）和细胞内谷胱甘肽（GSH）。当酸性pH和NCL同时出现时，第一个“与”门被激活，触发构象重排并产生分子输出。该整合输出与细胞内GSH结合，作为双重输入，共同激活第二个“与”门，并通过DNA电路固有的级联反应启动siRNA的释放。作为概念验证，我们在替莫唑胺（TMZ）耐药的胶质母细胞瘤（GBM）小鼠模型中应用该DNA回路，结果表明，该设计可确保siPARP1在GBM细胞中高度选择性释放，从而实现高效的PARP1沉默、逆转TMZ耐药性并最大限度地降低脱靶毒性。总而言之，这种由精确DNA序列编程实现的级联双与逻辑，代表了一种适用于多信号响应递送系统的通用策略，凸显了DNA回路在精准癌症治疗中的巨大潜力。

该研究以题为“A Cascaded DNA Nanocircuit for Multi‐Signal‐Responsive Precision siRNA Delivery in Cancer Therapy”发表在Advanced Science上。

图1

级联双AND逻辑DNA纳米电路的设计与治疗应用。(a) 编程有双AND逻辑门的DNA纳米电路示意图。第一个AND门响应细胞外酸性pH（输入1）和膜过表达的NCL（输入2）。这两种肿瘤特异性信号的共现触发构象重排，产生分子输出。该输出（作为Gate-1输出）与细胞内GSH（输入3）共同激活第二个AND门。(b) 在GBM小鼠模型中的体内应用。通过Angiopep-2（ANG）与低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP，在脑毛细血管内皮细胞和GBM细胞上均高表达）的结合穿越血脑屏障后，纳米电路依次响应肿瘤特异性信号（酸性pH、NCL、GSH）。这实现了精准的siPARP1释放和基因沉默，从而克服TMZ耐药并诱导显著的肿瘤细胞凋亡。

图2

级联双AND逻辑门激活的体外验证。(a) 四种不同输入条件：(0,0)、(0,1)、(1,0)和(1,1)下的第一个逻辑门，分别对应酸性pH（输入1）和NCL（输入2）的不存在或存在。只有当两个输入均存在时，输出信号才为“1”。(b) 四种条件下纳米电路形貌的AFM成像（比例尺，20 nm；全视野见图S2）。(c) DNA纳米电路的荧光模式。AMCA（λex=345 nm，λem=445 nm）；A488（λex=480 nm，λem=520 nm）。荧光强度归一化至(0,0)输入。数据以均值±SEM表示，以实线和阴影区域表示（n=3）。(d) 第二个逻辑门示意图，由Gate-1输出和GSH（输入3）激活，导致siPARP1释放。(e) A647标记siPARP1从DNA纳米电路释放的示意图及四种输入条件下的PAGE分析。(f) 纳米电路条带A647荧光强度的定量。A647强度归一化至(0,0)输入。所有数据以均值±SEM表示（n=3），**p < 0.01。

图3

DNA纳米电路在活细胞中序贯逻辑行为的验证。(a) 伪彩色供体/受体图像，描绘不同逻辑门输入下细胞表面AND gate-1的时间响应。(b) 基于每个时间点n=10个荧光斑点的图a D/A比值定量，以均值±SEM表示。(c) AND gate-2中DNA纳米电路（A488标记，绿色）与siPARP1（A647标记，红色）的共定位。线轮廓显示合并图像中沿虚线的绿色和红色荧光强度。(d) 图c中细胞的共定位图及相应的Pearson相关系数。

图4

DNA纳米电路在正常生物系统中的无响应性与安全性。(a) 含AND gate-1缺陷DNA纳米电路（上）或级联双AND逻辑DNA纳米电路（下）的NHA细胞中，DNA纳米电路（A488标记，绿色）与siPARP1（A647标记，红色）的共定位。线轮廓显示合并图像中沿虚线的绿色和红色荧光强度。(b) 每种条件下15个细胞的Pearson相关系数。(c) qPCR测定的两种siPARP1释放条件下PARP1 mRNA相对水平（n=3）。(d) PARP1蛋白表达的蛋白质印迹分析。(e) 图d的光密度定量（n=3）。(f) 不同浓度DNA纳米电路处理的NHA细胞活力。(g, h) 注射DNA纳米电路后小鼠的血清生化（ALT、AST、BUN、CR）和血液学参数（RBC、WBC、HGB、PLT），灰色区域表示标准参考范围（n=4）。(i) 注射DNA纳米电路后小鼠脑、心、肾、肝、肺和脾组织的代表性苏木精-伊红染色。所有数据以均值±SEM表示。ns，无显著性；p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.0001。

图5

DNA纳米电路靶向沉默PARP1基因的体外评估。(a) BBB Transwell系统示意图，上室培养bEnd.3细胞，下室培养U87MG-TR细胞。DNA纳米电路通过ANG穿越上室屏障，并在下室激活释放siPARP1。(b) 指定时间下室细胞摄取Cy5标记DNA纳米电路的共聚焦成像。(c) 不同处理下PARP1 mRNA表达的qPCR定量（n=3）。(d, e) PARP1蛋白的WB检测（d）及相应光密度分析（e）（n=3）。(f) U87MG-TR细胞中PARP1表达的IF成像及（g）处理后的定量分析。所有数据以均值±SEM表示，p < 0.01，p < 0.001，***p < 0.0001。

总结

siRNA疗法面临脱靶效应，精准递送是关键。我们设计了一种DNA纳米电路，含级联双“与”逻辑门，顺序响应三种肿瘤信号：细胞外酸性pH、膜上核仁素过表达和胞内谷胱甘肽。酸性pH与核仁素同时存在时激活第一门，触发构象重排并产生分子输出；该输出与谷胱甘肽共同作为输入激活第二门，启动siRNA释放。在替莫唑胺耐药胶质母细胞瘤模型中，该电路高度选择性释放siPARP1，高效沉默PARP1、逆转耐药并降低脱靶毒性。

该工作将多信号逻辑运算引入核酸递送，使药物释放需同时满足多个肿瘤特征，显著提升了空间和分子层面的选择性。未来可替换识别模块，适配不同肿瘤标志物组合或siRNA靶点。级联门的模块化设计允许调整信号顺序和阈值。该策略可拓展至其他需精准激活的核酸药物，如mRNA或基因编辑组件。DNA电路的体内稳定性和规模化合成成本需进一步优化，但该逻辑门控框架为智能核酸递送提供了可编程的通用平台。

参考文献：

DOI:10.1002/advs.77332

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