引言

脱氧核糖核酸(DNA)、多肽和蛋白质由于其化学、结构和功能特性成为开发新的诊断方法和治疗方法的候选者。然而，由于它们的亲水性、带电性和快速可降解性，使其在细胞摄取方面面临较大的挑战，这极大地限制了它们在临床上的使用。目前，已经开发出一些方法来克服这些缺点并促进细胞摄取，例如使用脂质体、细胞穿透肽和纳米颗粒复合物。虽然这些方法在增加细胞摄取方面是有效的，但它们可能具有细胞毒性，而且稳定性不高，这限制了它们在体内的应用。

球形核酸(SNAs)是一类特殊的纳米结构，具有致密的放射状寡核苷酸外壳，与线性链以明显不同的方式与生物相互作用。通过与A型清道夫受体的结合可加快SNAs的细胞摄取。此外，DNA壳层在空间上能够免受降解蛋白的干扰，从而在活体中具有更好的稳定性。虽然球形核酸已被用作多种探针和治疗的平台，但其三维结构较难实现均一的功能化，在一定程度上限制了其发展。

成果简介

近期，美国西北大学的Chad A. Mirkin在《J. Am. Chem. Soc.》上发表了题为“DNA Dendrons as Agents for Intracellular Delivery”的研究论文。作者报道了一种合成和利用DNA树枝状分子向活细胞递送生物分子的方法。受高密度核酸纳米结构(如球形核酸)的启发，作者假设DNA树枝状形式的核酸小簇可以连接到生物分子上，并促进它们的细胞摄取。实验发现，DNA树枝状分子在处理1h后就被90%的树突状细胞内化，与线性DNA模板相比，每个细胞的DNA递送量增加了20倍以上。这种作用是由于DNA树枝状分子与细胞表面A型清道夫受体的相互作用，导致其快速内吞。这些发现表明，高密度、多价的DNA配体在决定细胞摄取生物分子方面发挥着重要作用，这种策略将扩大可传递生物分子的范围。

图文解读

图1. DNA树枝状分子的设计与表征。(a)该 DNA树枝状分子由一条含10个碱基的寡核苷酸茎和一个总共产生3个、6个或9个分支的分支区组成，其中每个分支寡核苷酸含10个碱基。可以通过改变分枝单元和树枝合成来调整分枝的数量。在体外和活体研究中，可以在分枝区和茎之间加入荧光团作为荧光标记。(b-c) 用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)和变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)对所有树枝状分子进行了表征，以确定其质量和纯度。MALDI-TOF显示，随着树枝状分子价态的增加，预期的质量增量约为10 kDa。变性PAGE显示每个纯化的树枝状分子只有一个条带，电泳迁移率随分枝数的增加而降低。

图2. (a) 流式细胞仪测量处理细胞的荧光频数和荧光强度来评估细胞摄取。我们观察到只有29%的树突状细胞（DC）摄取了T₂₀线性链。随着DNA树枝价态的增加，3BD被大约60%的细胞摄取，6BD和9BD被大约90%的细胞摄取，表明随着DNA树枝价态的增加细胞摄取效率显著增加。(b) DNA阳性细胞中荧光团信号的中值荧光强度(MFI)。与线性DNA相比，树枝状DNA不仅被更多的细胞所摄取，而且每个细胞所摄取的量也更多。

图3. 树枝状分子介导的卵白蛋白1肽(Ova)的递送。(a) 作者使用了一个荧光标记的卵白蛋白肽，利用含有吡啶基二硫化物的交联剂，将N端的半胱氨酸残基通过二硫键交换反应将其连接到树枝上。用T₂₀、3BD、6BD和9BD链合成DNA-Ova偶联物。(b) 6BD和9BD结合物优于直接混合和T₂₀结合物，DNA和肽的荧光强度比直接混合增加了30倍。(c) 流式细胞仪检测结果，与低价树枝状细胞和混合溶液相比，6BD能够将DNA和肽更容易地输送到细胞中。并且使用T₂₀偶联物时，肽和DNA的传递效率为38%，这表明了共价偶联对改善传递的重要性。(d) 为了研究DNA树支树枝状连接是否影响肽的细胞摄取，我们测量了卵白蛋白肽与主要组织相容性复合体(MHC)受体结合的频率。结果表明这种增强是由于树枝状在诱导快速摄取的同时也能够防止细胞外肽降解。

图4. DNA树枝状分子介导的临床相关的胸腺肽α1肽(Ta1)的递送。(a) 用6BD偶联物对模型肽来研究。与单独的Ta1和T20-Ta1结合物相比，经6BD-Ta1结合物处理的DC细胞中共刺激标志物CD86的表达水平明显增高。(b-c) 在不同浓度下，6BD-Ta1结合物在诱导白细胞介素6 (IL-6）和肿瘤坏死因子(TNF-α)分泌方面明显优于未修饰的Ta1和T20-Ta1结合物。

总结展望

总之，我们开发了一种通用的利用DNA树枝状分子将功能性生物分子递送到细胞中的方法。它们易于合成和功能化，可用作各种材料(即小分子、DNA/RNA、多肽和蛋白质)的细胞递送剂。事实上，DNA树枝状分子提供了一种简单、有效和生物兼容的方法，可以将各种诊断和治疗材料输送到生命系统，而这在以前较难实现。因此，DNA树枝状分子将对下一代诊断工具、疫苗和治疗学的发展产生重大影响。

作者简介

Chad A. Mirkin ，美国西北大学材料科学与工程教授；研究方向为生物医学工程、化学和生物工程；国际纳米技术研究所所长。

教育经历：

1991年美国国家科学基金会化学博士后研究员，麻省理工学院。

1989年宾夕法尼亚州立大学，无机和有机化学博士