综述：四面体框架核酸：开启精准生物医学新纪元的纳米钥匙

《Journal of Advanced Research》：Tetrahedral framework nucleic acids: Nanokeys unlocking a new Era of precision biomedicine

本综述系统总结了四面体框架核酸（tFNA）在生物医学研究中的前沿进展，重点探讨了其作为多功能纳米工具在药物递送、组织再生及疾病治疗中的应用。文章详细阐述了tFNA的独特结构、细胞摄取机制（如小窝蛋白介导的内吞作用）、多功能性（包括靶向生物通路、增强治疗效能及克服耐药性等潜力），并深入分析了其在骨病、眼科疾病、感染性疾病、皮肤软组织修复及神经精神疾病等多种疾病治疗中的具体机制和临床转化前景，为DNA纳米技术在精准医学领域的应用提供了重要理论参考和实践指导。

　　

核酸

核酸作为构建高度可控和精确纳米结构的通用材料，通过“自下而上”的方法自组装而成。DNA纳米技术利用DNA分子的自组装能力构建纳米结构，基于Watson-Crick碱基配对原则，通过设计特定序列可构建从简单到高度复杂的二维和三维结构。自20世纪80年代Nadrian Seeman首次提出以来，DNA纳米技术已在药物递送、生物传感器和基因治疗等领域取得显著进展。

核酸分子表现出复杂的机械性能，在数个碱基对尺度上显示机械柔性，而在更大长度尺度上则呈现渐近刚性。这种特性使其能够承受特定机械应力而不发生结构失效。四面体核酸的结构设计赋予其高稳定性，平顶点和斜接顶点四面体在特定长度条件下表现出增强的动态运动，暗示其固有的结构灵活性和适应性。

在稳定性方面，线性单链DNA（ssDNA）在90%人血清中37°C孵育2小时即显著降解，而标准双链DNA（dsDNA）在相同条件下即使过夜孵育仍基本保持完整。DNA折纸和其他多螺旋结构相比线性dsDNA或质粒DNA表现出更优的核酸酶抗性，这归因于其紧密堆积的排列。tFNA的密集空间组织最小化了游离ssDNA的暴露，从而显著提高了核酸酶抗性。分子拓扑进一步调节抗性，闭合状态的DNA镊子相比开放状态对应物表现出增强的核酸酶稳定性。

tFNA的可编程性源于其模块化结构设计。研究人员可设计具有可调长度的dsDNA边缘来构建尺寸可变的DNA四面体，从而实现针对特定生物医学应用的定制。利用Watson-Crick碱基配对或静电相互作用，寡核苷酸可位点特异性地缀合到ssDNA末端。除了将寡核苷酸连接到tFNA的一个或多个顶点外，小分子药物也可封装在tFNA内并高效递送到活细胞中。

骨疾病

骨疾病是一组严重影响人类健康和生活质量的异质性疾病，包括骨折、骨质疏松、骨关节炎和骨肿瘤等复杂病理表现。传统诊断和治疗方法往往因精度、特异性和安全性不足而受限。tFNA在骨组织工程中展现出巨大潜力，现有研究表明其可促进间充质干细胞（MSCs）的成骨分化并增强骨再生。

在骨髓间充质干细胞（BMSCs）分化方面，研究表明可生物转换的tFNA递送系统（stFNA-miR）可运输miR-2861进入BMSCs。一旦被细胞内化，RNase H触发miR释放，从而抑制组蛋白去乙酰化酶5（HDAC5）并随后上调runt相关转录因子2（Runx2），增强成骨分化。在类固醇相关性股骨头坏死（SAON）研究中，开发了用于靶向递送MiR335-5p-pendant TDN（MiR@TDNs/Li-hep-gel）的可注射肝素锂水凝胶，以促进SAON中临界骨缺损的修复。MiR@TDNs增强BMSC增殖，减少皮质类固醇应激下的凋亡，并促进迁移。它们显著上调碱性磷酸酶（ALP）活性，增加钙结节形成，并减少脂质积累，表明在促进成骨分化的同时抑制脂肪生成。

除了上述通路，tFNA还可能通过激活AKT和ERK信号通路发挥作用。在衰老背景下，衰老骨髓间充质干细胞（O-BMSCs）的增殖和成骨分化能力下降，而衰老内皮祖细胞（O-EPCs）表现出血管生成相关基因表达减少、迁移受损和管形成能力减弱，给骨缺损修复带来挑战。研究人员成功构建了TDN-miR-21-5p纳米复合物，在O-BMSCs中显示出比单独TDNs更高的摄取效率，并显著增强成骨分化同时减少细胞衰老。

在感染性骨缺损治疗中，研究人员构建了负载克林霉素（CLI）-TDN复合物的3D生物打印混合支架。TDN-CLI被BMSCs高效内化并促进其增殖，显示出优异的生物相容性。此外，TDN-CLI表现出强效抗菌作用，可能源于TDN介导的CLI对细菌亲和力增强，这可能有助于缓解细菌耐药性。

软骨细胞分化

关节软骨（AC）缺乏血管、神经和淋巴管，依靠邻近组织的扩散获取营养和代谢。这种结构特征赋予AC独特的生物力学和生化特性，但也限制了其自我修复能力。由于AC固有的自我再生能力有限，当前临床手术治疗面临重大挑战。基于MSCs的组织工程策略具有前景但需要进一步优化。

滑膜间充质干细胞（SMSCs）具有强大的软骨形成潜力，在软骨修复中起关键作用。其易于获取和培养的特点使其成为软骨组织工程的理想种子细胞。研究人员开发了使用壳聚糖水凝胶/3D打印聚（ε-己内酯）混合支架结合SMSCs和tFNA的软骨再生系统，将其注射到关节腔内。在AC再生过程中，除了模拟适当的机械强度和孔隙率外，良好的再生微环境对于促进MSC增殖、分化和细胞外基质（ECM）合成至关重要。

软骨细胞作为软骨组织中唯一的细胞类型，在基于细胞的软骨再生策略中起关键作用。除了软骨的结构限制外，涉及软骨细胞的组织工程方法也受限于有限的细胞数量和软骨细胞表型的丢失。软骨细胞在体外扩增过程中易于分化和表型丢失，显著损害其在组织工程中的功效。tFNA对软骨细胞功能的调节作用是促进软骨修复的基础。tFNA已被证明可显著增强软骨细胞增殖和分化。此外，它通过激活自噬通路和减少氧化应激促进软骨细胞自噬和能量代谢，从而抑制软骨细胞凋亡。

牙源性干细胞分化

牙周韧带干细胞（PDLSCs）起源于牙周韧带组织，由异质、非克隆基质细胞群组成，包括具有多向潜能的多能干细胞、定向祖细胞和分化细胞。PDLSCs独特地具有分化成牙骨质样组织、骨样组织和牙周韧带样结缔组织的能力，这是其他MSCs所不具备的特性。

尽管PDLSCs相比BMSCs具有优势，但炎症微环境是一个重大挑战，因为促炎细胞因子不仅加剧牙周组织破坏，还通过抑制PDLSCs的成骨分化和迁移来损害牙周再生。重要的是，tFNA已证明能够调节炎症反应，促进PDLSCs和牙髓干细胞（DPSCs）的成骨和牙源性分化以及迁移，突显其在牙周再生中的治疗潜力。

文献表明炎症因子可激活破骨细胞分化，增强破骨细胞功能，并抑制成骨细胞活性，导致过度骨吸收。tFNA表现出优异的抗氧化和抗炎特性，通过抑制MAPK磷酸化和调节巨噬细胞反应介导。作为MAPK/ERK信号通路的关键组成部分，P38、JNK和ERK可被环境应激、炎症细胞因子和G蛋白偶联受体激活，诱导炎症。

眼科疾病

眼科疾病对人类视觉健康产生深远影响，特别包括年龄相关性黄斑变性（AMD）和糖尿病视网膜病变（DR）。鉴于传统治疗模式固有的多方面局限性，探索新型治疗策略变得至关重要。

氧化应激在视网膜疾病的起始和进展中起关键作用。视网膜色素上皮（RPE）和视网膜内皮细胞（ECs）内活性氧（ROS）与抗氧化清除剂之间平衡的破坏诱导炎症、线粒体功能障碍和细胞变性，最终损害血-视网膜屏障完整性和视网膜神经元功能障碍。DJ-1是一种由帕金森病相关基因7（PARK7）编码的蛋白去糖酶，是一种关键的氧化还原敏感蛋白。DJ-1通过调节转录信号、清除ROS和维持线粒体功能来保护细胞免受氧化应激诱导的损伤，使其成为抗氧化治疗的有希望靶点。

青光眼是一种不可逆的神经退行性眼病，是致盲的主要原因，以视网膜神经节细胞（RGCs）及其轴突的进行性损伤为特征，并伴有视野缺损和视神经萎缩。传统的青光眼管理侧重于通过药物干预或外科手术降低眼压，以减缓疾病进展和保存视觉功能。然而，尽管降压，仍有相当比例患者继续经历视力丧失，最终在缺乏有效治疗的情况下导致失明。

视网膜缺血/再灌注（RI/R）损伤是视力损害和不可逆盲的主要原因。作为依赖终末血管灌注的神经结构，视网膜对缺氧-缺血性损伤表现出特别的脆弱性。血管闭塞引起的缺血性损伤导致快速发生的组织坏死，通常在数小时内导致永久性视觉缺陷。新兴证据揭示RI/R相关病理涉及特征性的继发性损伤级联，其中再灌注后通过复杂的分子通路加剧原发性损伤。

病理性视网膜新生血管（RNV）疾病涉及由视网膜内促血管生成因子和血管生成抑制剂之间失衡驱动的复杂病理生理过程，最终导致严重视觉损伤。视网膜神经血管单元指的是视网膜内层神经元、胶质细胞和血管细胞之间的功能耦合和相互依赖，在维持视网膜稳态和功能中起关键作用。这些疾病不仅涉及血管病理，还与神经元功能障碍相关，即使新生血管发生后也可能阻碍视觉恢复。

糖尿病视网膜病变（DR）是一种常见的微血管并发症，全球约22.27%的糖尿病患者受影响。在其早期阶段，DR表现为微动脉瘤、视网膜内出血和视网膜水肿，而晚期可能导致玻璃体出血、视野缺损甚至失明。此外，DR仍是成人盲的主要原因。然而，有效的临床策略仍然有限。

感染性疾病

在当代生物医学中，抗生素耐药性和病毒突变的协同威胁与人口变迁和疾病谱演变错综复杂地联系在一起，进一步加剧了公共卫生挑战。人口加速老龄化和代谢性疾病（如糖尿病和肥胖）日益流行显著导致慢性感染发病率上升，而多重耐药病原体的出现和病毒基因组的快速多样化引入了新的治疗复杂性。

生物膜是结构化的细菌群落，附着在细菌在活体和非活体表面分泌的ECM上。在该基质内，细菌嵌入自身以获取保护，形成高度组织化和有弹性的微生物集合体。生物膜含有各种生物大分子，如细胞外多糖（EPS）和核酸。EPS基质不仅增强细菌粘附，还促进微生物在表面的聚集和积累，导致形成致密、高粘附性的生物膜。因此，生物膜内的细菌表现出比抗生素敏感细胞高500至5000倍的抗生素耐药水平，包括通常对抗生素敏感的菌株。

三个主要因素导致生物膜中观察到的高水平抗生素耐药性。首先，由于营养和空间竞争，生物膜内增殖的细菌表现出代谢活性降低，使其对以生长为靶点的抗生素不太敏感。其次，EPS基质的蛋白质和多糖组分阻碍或延迟抗生素渗透，允许嵌入基质深处的成熟细胞有更多时间发展耐药性。第三，抗生素耐药细菌分泌耐药因子，通过被动机制诱导整个生物膜群落获得耐药性。此外，病毒构成的威胁也不应低估。病毒无处不在、高度多样且快速适应，经常与其宿主建立密切关联。突变驱动病毒基因组的序列水平变异，范围从单碱基改变到大尺度基因组重排。通过持续适应宿主免疫反应和环境压力，病毒进化出新的突变株，从而增强其生存和传播效率。

传统的药物递送系统在克服细菌耐药性进化和病毒突变动态相关挑战方面表现出显著局限性。当前的药物递送平台主要依赖脂质体或金纳米粒子，尽管其有效性显著，但往往呈现高细胞毒性，破坏宿主细胞稳态。此外，这些纳米粒子在生物相容性和结构可编程性方面存在固有局限性。tFNA作为下一代药物递送系统展现出独特优势。近期研究验证tFNA不仅发挥双重抗炎和抗氧化作用，还增强哺乳动物细胞增殖和分化能力。

皮肤和软组织

在当前的皮肤病管理和软组织修复领域，传统治疗策略主要包括药物治疗、物理治疗和手术干预。然而，这些方法普遍面临皮肤屏障带来的固有局限性，特别是在治疗深部皮肤病变、慢性病症和软组织损伤时，治疗效果往往不理想。

与这些传统方法相比，tFNA在穿透皮肤屏障、实现精确靶向和调节免疫反应方面展现出显著治疗潜力。由于其纳米级三维结构，tFNA高效穿透角质层（SC），允许治疗剂或遗传分子靶向递送到真皮层或软组织损伤部位，从而规避传统治疗相关的有限药物渗透。

除了高效药物递送能力外，tFNA通过调节细胞功能促进皮肤和软组织修复，同时最小化传统疗法的不良效应并提高治疗效率。因此，tFNA在皮肤病治疗和软组织修复中提供卓越的精确性、可控性和多功能性。tFNA不仅增强药物向特定病变区域的递送效率，还通过协调机制加速伤口愈合和组织再生，包括免疫反应调节、血管生成促进和细胞增殖刺激。

皮肤角质层通常是显著阻碍药物渗透的屏障，特别是在深部病变或受伤区域。作为纳米材料，tFNA可克服这一屏障，归因于其纳米级尺寸和表面电荷特性。tFNA表面可进行功能修饰，例如与特定肽或抗体缀合，使其能够精确靶向皮肤细胞表面受体，如透明质酸受体（CD44）。这种靶向能力使tFNA能够将药物或基因分子直接递送到特定皮肤病变，从而增强治疗效果同时最小化全身副作用。

研究表明tFNA调节皮肤中树突状细胞功能，不仅促进局部免疫反应，还增强免疫耐受，从而减轻免疫排斥反应。近期研究进一步阐明了tFNA对树突状细胞的影响，揭示其通过靶向表面分子如CD80和CD86来调节免疫反应的能力。通过这种机制，tFNA在皮肤免疫修复中发挥更精确的作用，特别是在免疫调节治疗中，通过促进免疫耐受和减少慢性炎症，最终有助于更持续的皮肤修复结果。

除了促进血管生成的能力外，tFNA的独特结构还可通过递送靶向VEGF受体的siRNA直接抑制过度血管生成，从而在皮肤肿瘤治疗中发挥双重作用。通过精确调节血管生成，tFNA不仅促进伤口愈合，还有效预防异常血管形成，在治疗糖尿病相关皮肤溃疡和促进放疗后皮肤修复方面展示出显著潜力。tFNA在促进血管生成中的作用是其软组织修复能力的关键机制。血管生成是软组织修复的基础，tFNA通过递送血管生成因子如VEGF和bFGF促进EC迁移和增殖，从而促进新生血管形成。

皮肤癌，特别是黑色素瘤，已成为全球增长最快的癌症类型之一。根据全球癌症统计，皮肤癌发病率近年来显著上升，尤其是在白种人群。皮肤癌主要包括基底细胞癌（BCC）、鳞状细胞癌（SCC）和黑色素瘤，其中黑色素瘤是最具侵袭性且与最高死亡率相关。尽管早期筛查和手术干预可有效降低死亡率，但皮肤癌的高复发率和免疫逃避机制对其治疗构成重大挑战。

近年来，分子靶向治疗和免疫治疗的出现为皮肤癌治疗提供了新希望。尽管免疫检查点抑制剂，如PD-1和CTLA-4抑制剂，在晚期黑色素瘤中表现出显著疗效，但它们也可能引起严重副作用，限制其临床应用。类似地，分子靶向治疗可能诱发皮肤毒性，包括皮疹和瘙痒。因此，迫切需要开发新颖且更精确的治疗策略。tFNA在皮肤癌中的治疗应用主要归因于其卓越的靶向能力。皮肤癌细胞，尤其是黑色素瘤细胞，经常过表达特定表面受体，为基于tFNA的靶向治疗提供了坚实基础。

作为新型纳米治疗载体，tFNA通过多机制方法为皮肤肿瘤学提供创新治疗策略，包括精确靶向递送、控制药物释放、诱导凋亡和肿瘤微环境调节。在化妆品行业，tFNA展现出广泛的应用潜力，主要在于抗衰老、皮肤美白、皮肤修复和皮肤屏障恢复。

神经和精神疾病

神经和精神疾病，如阿尔茨海默病（AD）、重度抑郁障碍（MDD）和癫痫的全球患病率逐年上升，给医疗系统带来沉重负担。中枢神经系统（CNS）疾病的治疗由于血脑屏障（BBB）的存在和其病理生理机制的复杂性而仍然具有挑战性。tFNA凭借其独特的几何结构和纳米级尺寸，可有效穿透BBB并精确靶向神经系统。

随着神经损伤的增加，特别是在神经退行性疾病中，促进神经再生和修复已成为当前研究的关键焦点。神经干细胞（NSCs）的增殖和分化对于神经系统发育和修复至关重要。在神经系统发育早期，NSCs持续增殖，为神经网络形成提供充足的细胞来源，并逐渐分化为各种类型的神经细胞，如神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，从而建立复杂且精确调控的神经网络。神经系统损伤后，NSCs的增殖和分化能力仍然关键。它们可被激活，增殖产生新细胞，并分化为相应的神经细胞类型以补充受损区域并促进神经功能恢复。

在神经系统中，凋亡是维持结构完整性和功能平衡的严格调控生理过程。当神经系统经历外部损伤或内部病理变化时，触发细胞内信号事件级联，导致凋亡相关基因的激活或抑制。tFNA可通过与特定凋亡相关基因或蛋白质相互作用来调节凋亡，从而调控凋亡过程。

神经炎症作为各种神经和精神疾病的核心机制，长期以来一直是科学研究的中心焦点。tFNA在此过程中起重要调节作用，通过调节多种炎症有效抑制神经炎症反应。其中，NF-κB信号通路代表炎症的核心调节机制，控制细胞对炎症刺激的反应。

神经退行性疾病以神经元损伤、功能受损和异常免疫反应为特征。现有治疗往往无法有效阻止疾病进展，特别是阿尔茨海默病（AD）已成为日益严重的全球健康问题。AD的核心病理特征包括β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块的积累和tau蛋白的过度磷酸化，两者都破坏神经元信号传递并导致进行性神经变性。当前AD疗法主要旨在缓解症状和延迟疾病进展，因为尚无治愈性治疗可用。

类似地，癫痫治疗面临相同挑战。腺苷激酶（ADK）活性增加导致癫痫大脑中腺苷缺乏。研究人员设计了一种基于tFNA的纳米抗癫痫药物（tFNA-ADK^ASO@AS1），携带针对ADK的反义寡核苷酸和A1星形胶质细胞靶向肽（AS1）。该构建体高效穿过BBB，选择性下调反应性A1星形胶质细胞中的ADK，恢复内源性腺苷水平，抑制异常苔藓纤维出芽和病理性电路重组，从而降低发作频率。

精神疾病的治疗受到神经递质复杂失衡和突触可塑性受损的挑战。重度抑郁障碍（MDD）是一种普遍且高度致残的疾病，影响全球相当一部分人口。当前治疗方法因起效延迟和部分患者缺乏疗效而受限。miRNA的发现为抑郁症引入了有希望的治疗前景。其中，miRNA-22-3p是一种由19-24个核苷酸组成的非编码RNA，与神经可塑性和抑郁症状密切相关。它还表现出显著的抗炎作用，暗示在抑郁症中的治疗潜力。

肝肾疾病

肝脏是负责众多重要生理功能的重要器官，各种肝脏疾病可显著损害患者健康。急性肝损伤（ALI）是指由药物毒性、病毒感染、过量饮酒或化学暴露等外部因素引起的肝脏急性损伤。ALI的临床表现包括黄疸、肝功能测试水平升高、腹水和肝性脑病。若不及时干预，可能进展为急性肝衰竭（ALF），危及生命。传统治疗方