DNA纳米结构维度调控增强细胞摄取并引导组织再生反应

本研究针对DNA纳米结构维度特性如何影响细胞摄取及生物学响应机制不明的关键问题，系统构建了一维六螺旋束（6HB）、二维三点星（3PS）和三维四面体（TDN）结构，通过多细胞模型评估其内化效率与功能调控作用。发现6HB具有最优的跨细胞类型摄取一致性与深层组织渗透能力，并能促进成纤维细胞增殖、软骨细胞表型维持及肌细胞分化，为DNA纳米材料在再生医学与药物递送中的精准设计提供了重要理论依据。

　　

在组织工程和药物递送领域，精准调控细胞功能一直是科学家追求的目标。随着DNA纳米技术的兴起，人们能够通过程序化自组装构建结构精确的纳米材料，这些材料不仅具备良好的生物相容性，还可被细胞有效内化，无需转染试剂辅助。然而，DNA纳米结构的维度特性如何影响其细胞摄取效率及后续生物学效应，仍是未解之谜。尤其在不同组织来源的细胞中，这些结构的性能是否一致？它们能否真正引导细胞行为，促进组织再生？这些问题制约着DNA纳米材料向临床应用的转化。

为此，上海交通大学医学院附属第九人民医院房兵教授团队与上海交通大学化学化工学院顾宏周教授团队合作，在《Journal of Nanobiotechnology》上发表了一项系统研究。他们设计并构建了三种不同维度的DNA纳米结构：一维六螺旋束（6HB）、二维三点星（3PS）和三维四面体结构（TDN），并深入探究了它们在内皮细胞、成纤维细胞、肌母细胞、软骨细胞和成骨细胞五种细胞中的内化机制与功能调控作用。

研究团队主要运用了原子力显微镜（AFM）和聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）进行纳米结构表征，借助高效液相色谱（HPLC）完成样品纯化；通过流式细胞术和共聚焦显微镜定量分析细胞摄取；使用CCK-8法和细胞周期检测评估增殖效应；采用RT-qPCR、Western blot及组织化学染色（阿尔新蓝、甲苯胺蓝）分析细胞表型与分化功能；并利用三维多细胞球体模型模拟体内微环境下的纳米结构渗透行为。

细胞摄取效率具有维度与细胞类型依赖性

研究人员发现，6HB在五种细胞类型中均表现出最高且最稳定的内化效率，尤其在成纤维细胞和软骨细胞中摄取效果最佳。3PS在内皮细胞中摄取较好，而TDN的细胞摄取效率最低且波动性最大。温度抑制与内吞通路抑制实验表明，6HB主要通过网格蛋白（clathrin）和小窝蛋白（caveolin）双途径内化，而TDN和3PS则更依赖小窝蛋白途径。

6HB在三维球体模型中渗透性最佳

在模拟体内细胞排列的SW1353细胞球体中，6HB在0.5小时即显示明显信号，并在3小时内穿透至球体核心区域，其渗透速度和深度均优于3PS和TDN。这表明一维纳米结构更适于在组织深层实现有效递送。

促进细胞增殖与软骨基质合成

在成纤维细胞和软骨细胞中，三种DNA纳米结构均显著促进细胞增殖，并引起S期细胞比例上升。此外，它们还增强软骨细胞中Ⅱ型胶原（Col II）和聚集蛋白聚糖（Aggrecan）的表达，提升糖胺聚糖合成，表明其具有支持软骨细胞表型维持的作用。

诱导肌母细胞分化

在C2C12肌母细胞中，6HB处理显著上调生肌因子5（Myf5）、肌源性分化抗原（MyoD）、肌细胞生成素（MyoG）等关键分化基因，并引起细胞周期G0/G1期阻滞，符合肌细胞终末分化的特征。这表明一维DNA结构可有效引导肌源性分化进程。

该研究不仅阐明DNA纳米结构的维度特性对其细胞摄取效率、内化机制及组织渗透能力的显著影响，还揭示出6HB在促进多种细胞功能方面的优越性能，包括增殖增强、基质合成与细胞分化引导。这些发现为开发基于DNA纳米技术的精准药物递送系统与组织再生策略提供了关键实验依据，尤其在需要跨细胞类型一致性及深层组织渗透的治疗场景中，一维纳米结构展现出重要应用潜力。未来通过整合靶向配体、功能核酸分子或药物载荷，DNA纳米平台有望在再生医学、癌症治疗及基因编辑等领域发挥更广泛的用途。