DNA折纸术“智取”耐药癌细胞

目前，俄亥俄州立大学的研究人员正在研究一种新的方法治疗耐药性肿瘤，他们用DNA折纸（DNA Origami）技术，将一种常见的癌症药物“偷运”至耐药性的癌细胞中，这有点像希腊神话中的特洛伊木马。研究结果发表在国际知名期刊《Small》。

　　

生物通报道：目前，俄亥俄州立大学的研究人员正在研究一种新的方法治疗耐药性肿瘤，他们用DNA折纸（DNA Origami）技术，将一种常见的癌症药物“偷运”至耐药性的癌细胞中，这有点像希腊神话中的特洛伊木马。

在实验室测试中，当药物被隐藏在一个由折叠DNA构成的胶囊中时，耐药性的白血病细胞吸收该胶囊之后死亡。

此前，其他研究小组也使用相同的封装技术——DNA折纸，来对抗实体肿瘤的耐药性。这是第一次有研究表明，同样的技术也对耐药性白血病细胞起作用。

研究人员已经开始在小鼠体内检测这种胶囊，并希望在几年内转移到人类肿瘤实验中。他们早期的研究结果发表在国际知名期刊《Small》。

这项研究涉及一种急性髓系白血病（AML）的临床前模型，该模型已经对药物柔红霉素发展出了耐药性。具体来说，当柔红霉素分子进入AML细胞时，细胞能够识别它们，并通过细胞壁上的开口泵出它们。这是一种耐药机制，本研究共同作者、俄亥俄州立大学Wexner医疗中心的John Byrd将其比作从地下汲水的“排水泵”。

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他和机械工程学助理教授Carlos Castro，带领了一项合作研究，主要关注的是，将柔红霉素隐藏在一种木马分子中，可以绕过这一“排水泵”，这样它们就无法将这些药物从细胞泵出。

血液科主任、内科教授Byrd指出：“癌细胞有新的耐药途径，就像这些“排水泵”一样，封装药物的这种方式的令人兴奋之处在于，我们可以避开这些防御，从而使药物在肿瘤细胞中积累，导致它死亡。我们也有可能调整这些结构，使它们有选择性地将药物传递至癌细胞，而不是身体的其他部位——这可能导致副作用。”

纳米工程和生物设计实验室主任Castro指出：“DNA折纸纳米结构具有许多药物输送的潜力，不仅可用于制备有效的药物载体，还可以使我们用新方法研究药物传递。例如，我们可以非常精确地改变结构的形状或机械刚度，以探究其如何影响细胞进入。”

在试验中，研究人员发现，以前对柔红霉素有耐药性的AML细胞，可有效地吸收药物分子——当它们隐藏在细小的棒状胶囊中（由DNA构成）。在显微镜下，研究人员在有荧光标记的细胞内跟踪了胶囊。

每一个胶囊大约有15纳米宽和100纳米长——比其要渗透的肿瘤细胞要小大约100倍。具有四个中空的、开放式的内部隔室，它看起来不像人们吞服的药丸，更像一个细长的烧渣块。

博士后研究员Christopher Lucas说：“该设计最大限度地提高了携带药物的可用表面积。柔红霉素起作用的方式是，它藏进癌细胞的DNA中，并阻止其进行复制。所以我们设计了一个胶囊结构，它有很多可访问的DNA碱基对，以使其藏入。当胶囊破裂时，药物分子被释放，涌进细胞。”

Castro团队设计的胶囊是强大而稳定的，因此，它们不会完全瓦解和释放大量的药物，等到细胞吐出它们时，已经为时已晚。

这就是他们用荧光显微镜观察到的——细胞将胶囊拉入通常要消化的细胞器。当胶囊破裂时，药物会淹没细胞，使它们崩解。大多数细胞在消耗胶囊的第一个15小时内死亡。

这项工作是Castro实验室的工程师们，将他们已经建立的DNA折纸结构，第一次应用于医学所获得的一项成果。

虽然DNA常被称为生命的“构建模块”，但今天的工程师使用天然和合成的DNA，作为字面构建模块用于机械装置。在此之前，俄亥俄州立大学的工程师制备了微小的DNA铰链和活塞。

正如Castro指出的那样，DNA是一种聚合物——尽管是一种天然存在的聚合物，他和他的同事们通过利用构成聚合物链的碱基之间的物理相互作用，将其塑造成微小的设备、工具或容器。他们用DNA序列构建了链，这些序列在一定程度上自然地吸引和相互约束，从而使长的聚合物自动折叠，或“自组装”成为有用的形状。

在这种DNA特洛伊木马的情况中，研究人员使用一种常见噬菌体（一种感染细菌的病毒）的基因组，合成的链目的是把噬菌体DNA折叠起来。工程专业研究生Patrick Halley解释说，虽然折叠形状执行一种功能，但DNA本身并不发挥作用。Halley说：“当你向人们介绍这项技术时，最难理解的事情就是，除了保持一个形状之外，这个DNA胶囊不做任何事。它只是一种静态的、刚性的结构，可承载东西。它不编码任何蛋白质，或做其他我们通常认为DNA会做的事情。”

Castro说，与DNA折纸术制造的想法一致，他希望为制备这种胶囊，创造一个精简和经济上可行的过程，作为一种模块化药物输送系统的一部分。

Byrd说，如果进一步的工作表明，该技术可以有效地转化到动物模型上，它可能对几乎任何形式的耐药肿瘤起作用，但他并未建议是否对细菌等病原体起作用，因为它们的耐药机制可能不同。

肿瘤耐药性是癌症研究的一个热门问题，2015年11月，来自弗吉尼亚理工大学Carilion研究所的科学家和Carilion诊所的临床医生，发现了如何使耐药的人胶质母细胞瘤细胞再次对化疗变得敏感。他们的这项研究结果发表在美国癌症研究协会科学杂志《Cancer Research》（华人学者驯服耐药的癌细胞）。2015年3月，在Cell子刊《Cancer Cell》发表的两篇论文，探讨了基底细胞癌耐药性的机制（两篇Cell子刊解析基底细胞癌耐药性）。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
DNA Origami: Daunorubicin-Loaded DNA Origami Nanostructures Circumvent Drug-Resistance Mechanisms in a Leukemia Model
Abstract: DNA origami “Trojan horse” nanostructures provide an effective delivery approach to circumvent drug resistance in leukemia cells. These 100 nanometer delivery vehicles, described on page 308 by C. E. Castro and co-workers, are easily fabricated in 10 min and can be precisely loaded with commonly used anthracycline chemotherapeutic drugs. Drug-loaded DNA origami nanostructures enter cells via endocytosis, allowing the drug to bypass defenses in the cell membrane that are effective against free drug. This approach leads to larger amounts of drug in cells, which is later released due to decreasing pH and enzymatic degradation, ultimately improving drug efficacy.