陳可仁， 汪未申， 朱龍佼， 張洋子,， 賀曉云， 黃昆侖， 許文濤*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)營(yíng)養(yǎng)與健康系，食品精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)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(gè)領(lǐng)域應(yīng)用均較廣泛，為構(gòu)建復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)和納米器件提供了理想材料。核酸自組裝納米結(jié)構(gòu)因具有形貌可控、分子識(shí)別精準(zhǔn)、成本低、毒性低、可任意編程和設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用于藥物遞送、細(xì)胞成像、生物傳感、材料科學(xué)等領(lǐng)域［1-3］。核酸納米遞送載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，一定程度上解決了藥物遞送領(lǐng)域亟待完善的問題。本文對(duì)于核酸納米載體的組裝方式、分子識(shí)別靶向策略、藥物控制釋放的相關(guān)方法及其在藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，旨在為核酸自組裝遞送載體的研究及臨床應(yīng)用提供參考。

1 核酸自組裝

1982 年，Seeman 等［4］提出DNA 可以作為結(jié)晶客體分子的合成骨架，這將人們對(duì)于核酸的認(rèn)識(shí)從一種生命必需的遺傳物質(zhì)拓寬至納米級(jí)別的良好材料。目前，科學(xué)家們已經(jīng)基于核酸材料構(gòu)建了不同的DNA、RNA 自組裝結(jié)構(gòu)，并且將其與多種材料結(jié)合，成功推動(dòng)了核酸自組裝領(lǐng)域和多種構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)［5］。1982 年，Seeman 等［4］基于粘性末端和分支DNA 構(gòu)建了多種二維、三維晶格結(jié)構(gòu)，并提出了Holliday交叉結(jié)以及更多穩(wěn)定的DNA 瓦片單元［6］。DNA 瓦片技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的層層自組裝，常用于組裝復(fù)雜的一維、二維DNA 納米籠，在制備周期性可重復(fù)的納米結(jié)構(gòu)中有一定優(yōu)勢(shì)，但其制備和設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、嚴(yán)苛，組裝效率較低，易發(fā)生錯(cuò)配。因此，為了滿足應(yīng)用需求，亟需探尋一種更簡(jiǎn)潔、高效的自組裝策略。

2006 年，Rothemund 等［7］發(fā)明了DNA 折紙技術(shù)（DNA origami），即將較長(zhǎng)的單鏈DNA 分子（7 000 nt）通過特定設(shè)計(jì)被較短的寡核苷酸鏈引導(dǎo)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(dòng)了核酸納米技術(shù)的發(fā)展，該方法對(duì)鏈間序列的對(duì)稱性無嚴(yán)格要求，可有效避免錯(cuò)配，因此，自組裝效率較高。然而，體內(nèi)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(shù)在藥物遞送和臨床試驗(yàn)中的應(yīng)用。

模塊化自組裝法將DNA 瓦片和DNA 折紙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，將各個(gè)分散的模塊逐步合并，避免了DNA 瓦片組裝的復(fù)雜設(shè)計(jì)以及DNA 折紙結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性［3，8］?；谄洫?dú)特優(yōu)勢(shì)，該方法更適合制備體積更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜和靈活度更高的DNA納米結(jié)構(gòu)。

1.2 RNA自組裝納米載體

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

2006 年，Syehan 等［9］首次提出了基于滾環(huán)轉(zhuǎn)錄技術(shù)（rolling circle transcription，RCT）的自組裝策略。利用RCT 技術(shù)能夠體外轉(zhuǎn)錄出可重復(fù)性的長(zhǎng)RNA 單鏈的特性，通過對(duì)環(huán)狀模板的特定設(shè)計(jì)，組裝體內(nèi)可包含各種功能單元；并且通過控制轉(zhuǎn)錄條件，RCT 自組裝納米結(jié)構(gòu)的形貌、大小可控，能夠在一定時(shí)間內(nèi)高效合成結(jié)構(gòu)致密、穩(wěn)定的RNA 納米載體。此外，RNA 能通過化學(xué)偶聯(lián)或雜化自組裝形成結(jié)構(gòu)致密、可編程和相對(duì)穩(wěn)定的高分子聚合物，如巰基修飾的策略已廣泛應(yīng)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(shí)現(xiàn)自組裝，這類策略一方面提高了RNA 納米結(jié)構(gòu)的致密性，增加其在血液循環(huán)中的停留時(shí)間；另一方面可為藥物的刺激響應(yīng)釋放提供機(jī)會(huì)，進(jìn)而提高治療效果。

RNA 納米技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和理想的應(yīng)用前景引起了人們廣泛地關(guān)注，為保證藥物在體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中仍具有可觀的藥效，研究人員應(yīng)著力解決RNA 納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模組裝和高效純化，以及其在體內(nèi)溶酶體逃逸的問題。

1.3 復(fù)合材料納米載體

復(fù)合材料納米載體具有核酸材料可編程、分子識(shí)別精準(zhǔn)、穩(wěn)定和特定生理活性的特點(diǎn)，且經(jīng)特定設(shè)計(jì)，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(yīng)的光熱性能，將核酸材料與金屬納米材料結(jié)合，能夠制備出基于光熱治療或光動(dòng)力治療的癌癥治療平臺(tái)［12］；基于二氧化硅等無機(jī)材料獨(dú)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(xì)胞內(nèi)化率、實(shí)現(xiàn)粒徑可控的同時(shí)可促進(jìn)藥物在靶位點(diǎn)聚集，提高體內(nèi)的生物安全性［14］。微納米領(lǐng)域在生物醫(yī)學(xué)方面潛力巨大，且材料間的優(yōu)勢(shì)互利在藥物遞送和臨床應(yīng)用方面均有較高的價(jià)值。

2 核酸自組裝納米載體的靶向特性

精準(zhǔn)的靶向識(shí)別是藥物遞送載體的重要性質(zhì)之一。主動(dòng)靶向作用使藥物在靶組織、細(xì)胞或亞細(xì)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(yán)重不良反應(yīng)，并在一定程度上規(guī)避耐藥性，實(shí)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(bǔ)配對(duì)原則高效負(fù)載核酸適配體，修飾小分子配基或負(fù)載蛋白，基于此，核酸遞送系統(tǒng)則能以多種方式精準(zhǔn)識(shí)別靶部位。

核酸適配體是一類能夠與靶物質(zhì)特異性結(jié)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(xì)胞表面或胞內(nèi)的生物標(biāo)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(jīng)典適配體，在腫瘤治療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［16］。此外，腫瘤細(xì)胞膜表面高表達(dá)葉酸受體、生物素受體、唾液酸殘基等物質(zhì)，具有增加其惡性增殖的能力，有研究者應(yīng)用此特性，在載體表面修飾相關(guān)小分子，構(gòu)建腫瘤靶向的藥物遞送載體［17］。一些蛋白質(zhì)或靶向肽也具有相應(yīng)的選擇性結(jié)合功能，核酸載體通過搭載靶向性蛋白質(zhì)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(zhì)是一種大分子物質(zhì)，會(huì)增加藥物遞送載體的粒徑，因此，在載體設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮遞送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使其兼具精準(zhǔn)的靶向性和良好的內(nèi)化效率。

3 核酸自組裝納米載體的刺激響應(yīng)性

核酸自組裝納米載體具備較好的刺激響應(yīng)特性，藥物在到達(dá)有效部位前的藥物泄露是導(dǎo)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(shè)計(jì)，以高度可控的方式保護(hù)藥物不被降解，直至在靶部位被特定信號(hào)觸發(fā)，釋放藥物，極大程度保留了藥物的生理活性，相關(guān)研究為臨床緩釋藥物的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)［19］。基于觸發(fā)信號(hào)的類型分類，核酸自組裝納米載體能夠響應(yīng)腫瘤微環(huán)境，包括光、溫度、酶以及特定核酸等體內(nèi)和體外信號(hào)。

低pH、氧含量和強(qiáng)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(dāng)藥物與其載體循環(huán)至腫瘤部位時(shí)，載體發(fā)生變構(gòu)或解體，內(nèi)部藥物釋放，實(shí)現(xiàn)高效的治療作用，如i-motif 功能核酸元件能響應(yīng)腫瘤部位的低pH，自身發(fā)生變構(gòu)；二硫鍵能夠被腫瘤細(xì)胞高表達(dá)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(yán)重不良反應(yīng)。

光響應(yīng)藥物遞送系統(tǒng)是另一類具有廣泛應(yīng)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(zhǎng)的光刺激下，實(shí)現(xiàn)光交聯(lián)劑的裂解，進(jìn)而使自身載體發(fā)生變構(gòu)或解體，內(nèi)部的藥物釋放至靶部位，進(jìn)而治療疾病［24］。光刺激響應(yīng)方式還為癌癥的光動(dòng)力治療和光熱治療應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。被核酸納米負(fù)載的光敏劑能夠被特定波長(zhǎng)的光激發(fā)，產(chǎn)生有害于細(xì)胞或組織的活性氧等物質(zhì)，以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡［25］；同時(shí)，金納米棒、銀納米簇等納米藥物也能響應(yīng)光的刺激，產(chǎn)生大量熱量，實(shí)現(xiàn)腫瘤時(shí)空可控的治療目的，減少對(duì)正常組織的損傷［26］。

溫敏型材料能夠響應(yīng)環(huán)境溫度變化實(shí)現(xiàn)變構(gòu)，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(lǐng)域?qū)λ幬飳?shí)現(xiàn)包封和釋放模式的轉(zhuǎn)換［27］。有研究者在核酸納米籠結(jié)構(gòu)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(jī)體溫度的相對(duì)穩(wěn)定，溫控藥物釋放系統(tǒng)在體內(nèi)應(yīng)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(yīng)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(xì)胞內(nèi)源性酶類刺激藥物的釋放，如Dicer、DNase、RNase 等酶類在核酸材料結(jié)構(gòu)控制方面具有各自的優(yōu)勢(shì)［29］，且均能實(shí)現(xiàn)藥物在體內(nèi)的精準(zhǔn)釋放，因此，在納米技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)特定的核酸序列，從而控制藥物釋放過程。存在于靶細(xì)胞內(nèi)的核酸標(biāo)志物是一類有效的藥物釋放觸發(fā)器，經(jīng)過特定設(shè)計(jì)的核酸納米籠能夠基于鏈置換反應(yīng)或核酸變構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面孔隙度的變化，控制納米籠的開、關(guān)狀態(tài)［10，30］；而胞內(nèi)的特定分子（如ATP 等）也可以與其存在于載體中的適配體結(jié)合，引起藥物遞送系統(tǒng)的變構(gòu)，釋放藥物［17］。

4 核酸自組裝納米載體的應(yīng)用進(jìn)展

核酸自組裝結(jié)構(gòu)作為一種納米遞送載體，在藥物遞送領(lǐng)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(zhì)、小分子、核酸藥物、納米藥物等，在基因治療、免疫治療及化學(xué)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(zhì)進(jìn)入體內(nèi)，保護(hù)蛋白質(zhì)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(shí)現(xiàn)了提高藥效、降低不良反應(yīng)的目的［31］。此外，包括阿霉素在內(nèi)的部分常用癌癥小分子化療藥物能夠與核酸結(jié)構(gòu)作用并實(shí)現(xiàn)高效的藥物包封及體內(nèi)遞送，目前已被廣泛研究［21］。天然產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)物藥物靶向性及可控釋放的特點(diǎn)，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(chǎn)物［32-34］。在遞送領(lǐng)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(shè)計(jì)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?qū)⒏蓴_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(diǎn)，實(shí)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(xué)領(lǐng)域的巨大潛力［35］。納米藥物由于其獨(dú)特的尺寸效應(yīng)及較高的穩(wěn)定性，在光熱治療領(lǐng)域引起了研究人員的廣泛關(guān)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(gè)理想的遞送平臺(tái)［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(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。在藥物遞送方面，核酸納米載體目前已經(jīng)形成了相對(duì)成熟的納米組裝方式，實(shí)現(xiàn)了一定的靶向和刺激響應(yīng)能力，能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)藥物、核酸藥物、小分子藥物和納米藥物等實(shí)現(xiàn)良好的組裝搭載效率，為更理想的治療效果和進(jìn)一步的臨床應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。未來核酸自組裝技術(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)更多元的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)搭載多種類型的遞送貨物，并應(yīng)用于納米食品等新興領(lǐng)域；科研人員還應(yīng)完善核酸自組裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特性，進(jìn)一步提高載體的靶向能力，開發(fā)智能控釋策略，以推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。