针对Sclerostin的、经二氧化硅矿化的DNA折纸技术能够实现可靠且协同增效的骨质疏松症治疗

《Biomaterials》：Sclerostin-targeted silica-mineralized DNA origami enables reliable and synergistic osteoporosis therapy

临床抗骨吸收药物主要调控骨代谢却忽视氧化应激和炎症在骨质疏松中的协同作用。本研究开发了一种aptamer-silica-DNA三功能纳米贴片，通过静电作用调控DNA原 folded的矿化（23%），增强核酸酶抗性（降解率降低60.36%），同时保留骨靶向和ROS清除功能。FDA认证的sclerostin aptamer使纳米贴片特异性结合sclerostin，激活Wnt信号通路促进成骨。体内实验显示该纳米贴片使小鼠骨密度增加约30%，优于双膦酸盐治疗。该三功能纳米平台通过整合结构强化、靶向调控和氧化应激缓解功能，为骨质疏松提供全面治疗策略。

　　这项研究提出了一种新型的三功能纳米剂，旨在更全面地应对骨质疏松症的多种病理特征。骨质疏松症是一种与骨代谢失衡密切相关的疾病，尤其在绝经后女性中尤为常见，影响约50岁以上女性的29.13%。该疾病的特点是骨重塑增强、骨形成减少以及骨吸收增加，导致骨密度下降、骨折风险上升，进而引发残疾和死亡率增加。其主要病因是雌激素水平下降，这种激素的缺乏不仅会增强破骨细胞的活性，还会导致成骨细胞的凋亡，从而破坏骨骼的动态平衡。此外，雌激素缺乏还会促进活性氧（ROS）的积累，进一步加剧破骨细胞的生成并抑制成骨细胞的活动，最终导致净骨量减少。

目前，临床常用的抗吸收药物如双膦酸盐和激素替代疗法，主要通过调节骨代谢来发挥作用。然而，这些药物往往伴随着潜在的不良反应，且在治疗过程中通常忽略了骨质疏松症所伴随的氧化应激和炎症反应。因此，迫切需要一种能够同时靶向骨代谢、氧化应激和炎症的综合治疗策略。现有的生物材料策略虽然在某些方面取得了进展，但仍存在功能局限性，例如某些水凝胶虽然能促进成骨，但缺乏对破骨细胞的抑制和骨靶向能力；而一些纳米制剂虽然能增强破骨细胞的抑制，但对降解的保护有限；还有部分外泌体虽然提升了成骨活性，但缺乏骨特异性并难以维持长期的结构稳定性。

DNA纳米结构，尤其是DNA折纸技术，因其高度的可设计性和良好的生物相容性，被认为是一种极具潜力的治疗平台。通过将长单链病毒DNA（ssDNA）支架与多个短ssDNA配体结合，研究人员可以构建出各种形状和大小的复杂纳米结构。这些结构能够有效清除ROS，从而减少氧化应激对骨骼的损害，同时还能通过DNA磷酸骨架结合和吸附骨钙素，帮助改善骨代谢。然而，尽管DNA折纸技术具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战，如机械强度不足、容易被核酸酶降解，以及在复杂生物环境中功能的丧失。

为了克服这些限制，研究团队开发了一种三功能的DNA纳米贴片，该贴片由DNA折纸结构、二氧化硅以及针对 sclerostin 的适配子组成。这种纳米贴片不仅具备结构上的稳定性，还能实现对骨骼的靶向作用，并具有清除活性氧的能力。通过控制DNA折纸的矿化过程，研究人员能够在保持其地址性和生物功能的同时，提高其在体内的稳定性。他们利用二氧化硅前体与DNA单链之间的静电相互作用，实现了对DNA纳米结构的可控矿化，最终矿化比例达到了23%。这一矿化过程显著增强了核酸酶对DNA的抵抗能力，使得DNA纳米结构在体内的降解率降低了60.36%，从而延长了其在体内发挥作用的时间。

此外，通过将FDA批准的sclerostin适配子引入DNA纳米结构，该贴片能够特异性地结合sclerostin，进而激活Wnt信号通路，促进成骨细胞的活性和骨形成。这一机制为骨质疏松症的治疗提供了一种全新的靶向策略，不仅避免了传统药物对全身的广泛影响，还能更精准地作用于骨骼组织，从而提高治疗效果。在动物实验中，该纳米贴片被用于治疗卵巢切除导致的骨质疏松症小鼠模型，结果显示其在增加骨密度方面优于传统的双膦酸盐治疗，达到了约30%的提升。

该研究的创新之处在于，它不仅解决了DNA纳米结构在生物环境中的稳定性问题，还通过引入适配子实现了对骨代谢的精准调控。传统的矿化策略往往导致DNA纳米结构表面形成均匀的无机涂层或连续的壳层，这不仅限制了其在空间上的可寻址性，还可能影响其进一步的功能化以及生物活性。而本研究中的可控矿化方法则避免了这些问题，使得DNA纳米贴片在保持原有功能的同时，具备了更强的结构稳定性，从而提高了其在体内的应用潜力。

从材料设计的角度来看，该纳米贴片的构建涉及多个关键模块的整合。首先，研究团队利用经典的Rothemund折叠策略，制备了尺寸为90×60×1纳米的适配子连接的矩形DNA折纸纳米贴片（Apt-rDON）。这种纳米贴片的结构设计使其能够有效地结合适配子，并在特定的生物环境中发挥功能。随后，通过将二氧化硅前体与DNA折纸结构结合，研究人员实现了对DNA纳米贴片的矿化。这一过程的关键在于利用静电相互作用，使得二氧化硅前体能够均匀地沉积在DNA折纸的表面，而不会影响其原有的结构和功能。

在实际应用中，这种三功能纳米贴片的优越性体现在多个方面。首先，它通过矿化增强了结构稳定性，从而避免了DNA纳米结构在复杂生物环境中的机械损伤。其次，通过引入适配子，该贴片能够特异性地识别并结合sclerostin，这一分子在骨代谢中起着重要的抑制作用。通过阻断sclerostin的作用，纳米贴片能够有效激活Wnt信号通路，促进成骨细胞的分化和骨形成。最后，通过矿化过程，该贴片还增强了对活性氧的清除能力，从而减轻氧化应激对骨骼的损害。

这一研究的成果为骨质疏松症的治疗提供了一种全新的思路。传统的治疗手段往往只能针对单一的病理机制，而该纳米贴片则能够同时作用于多个关键环节，包括骨代谢的调节、氧化应激的缓解以及炎症反应的控制。这种综合性的治疗策略有望提高治疗效果，减少副作用，并为未来骨质疏松症的临床治疗提供更加精准和高效的解决方案。

此外，该研究还强调了在实际应用中需要进一步解决的问题。例如，如何实现纳米贴片的大规模生产，以及如何确保其在体内的长期稳定性和安全性，都是未来研究需要关注的重点。尽管当前的研究已经展示了该纳米贴片在动物模型中的良好效果，但将其转化为临床应用仍需更多的实验验证和优化。研究团队指出，尽管在大规模生产和长期安全性方面仍存在挑战，但该纳米贴片在结构稳定性、靶向性和功能协同性方面的突破，为骨质疏松症的治疗开辟了新的方向。

总的来说，这项研究通过设计一种三功能的DNA纳米贴片，为骨质疏松症的治疗提供了一种全新的策略。该贴片不仅能够有效靶向骨骼组织，还能同时调节骨代谢、清除活性氧，并激活Wnt信号通路，从而实现对骨质疏松症的综合治疗。这种新型纳米剂的开发，标志着在骨代谢疾病治疗领域迈出了一大步，也为未来更复杂的生物医学应用提供了重要的技术基础。随着进一步的优化和研究，这种纳米贴片有望成为一种安全、高效、精准的骨质疏松症治疗手段，为患者带来更好的预后和生活质量。