miRNA-21触发的DNA纳米系统用于乳腺癌聚集增强型光热诊疗

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：miRNA-21-triggered DNA nanosystem for aggregation-enhanced photothermal theranostics of breast cancer

摘要乳腺癌的治疗受到传统疗法的限制，也受限于吲哚菁绿（ICG）等光热剂的光稳定性差和肿瘤富集能力低。在此，我们开发了一种基于DNA的纳米系统TDN-ICG-Y^py^，该系统能够由肿瘤相关miRNA-21特异性触发可控聚集，从而实现靶向荧光成像和增强光热治疗。该纳米系统集成了DNA四面体框架、共价偶联的ICG以及吡烯修饰的Y型结构，后者兼具miRNA-21传感器和聚集诱导剂的功能。MUC1适配体的引入赋予了主动肿瘤靶向能力。在识别miRNA-21后，吡烯激基荧光可实现聚集过程的实时监控，而ICG的聚集则显著提高了光热转换效率和稳定性。体内外研究表明，该系统对癌细胞表现出选择性、激光依赖性的细胞毒性，对正常细胞影响极小，同时实现了高效的肿瘤富集、实时成像以及有效肿瘤消融，且未观察到系统性毒性。本工作建立了一个基于DNA的诊疗平台，通过miRNA-21触发的聚集解决了ICG肿瘤富集差和光稳定性低的问题，为精准乳腺癌治疗提供了一项有前景的策略。引言乳腺癌是女性中最常见的恶性肿瘤之一，约占所有恶性肿瘤的7-10%，是全球癌症相关死亡的第二大原因[1]、[2]、[3]。包括手术切除、放疗和全身化疗在内的传统治疗方式均存在固有的局限性[4]、[5]。手术干预常面临切除不彻底和周围组织损伤的风险，放疗可能误伤邻近的健康器官，化疗则常引起严重的全身毒性[6]、[7]、[8]。这些挑战凸显了开发更有效、创伤更小的乳腺癌治疗策略的迫切需求[9]、[10]、[11]。光热治疗（PTT）作为一种有前景的非侵入性肿瘤治疗方法日益受到关注[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。该技术利用光热剂（PTAs）将外部光能（通常来自近红外（NIR）光源）转化为局部热量，从而诱导肿瘤细胞选择性消融[19]、[20]、[21]。PTT具有多重优势，包括高时空选择性、创伤小、全身副作用低以及可重复应用等[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。研究者探索了多种光热剂，包括无机纳米材料（如金纳米粒子和碳基材料）以及有机化合物（包括NIR荧光染料和卟啉类化合物）[25]、[26]、[27]。其中，吲哚菁绿（ICG）因其优异的性能（包括深层组织穿透力强、背景自发荧光低以及已获临床诊断批准）而备受关注。然而，ICG在PTT中的应用受到若干固有局限性的制约，包括快速光漂白、严重的荧光猝灭以及全身给药后肿瘤富集能力差[28]、[29]、[30]、[31]。为应对上述挑战，研究者开发了多种基于纳米载体的递送系统将ICG包封其中，包括脂质体、胶束和基于白蛋白的制剂[32]、[33]、[34]。尽管这些策略改善了药代动力学特性，但往往存在载药量低、制备工艺复杂以及残余荧光猝灭等问题[35]。近期研究表明，ICG聚集体相比游离ICG具有更优异的光物理性能，包括吸收红移、增强光稳定性和提高光热转换效率，这表明可控聚集可能是克服ICG基PTT局限性的可行策略[33]、[36]、[37]。刺激响应性纳米材料在生物医学领域的最新进展进一步凸显了可控聚集和微环境响应设计在增强治疗效果方面的潜力[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。DNA纳米技术凭借其固有的可编程性、优异的生物相容性和多功能化能力，已成为生物医学应用的强大平台[43]、[44]、[45]。特别是，具有动态尺寸调节能力的DNA纳米结构引起了越来越多的关注，因为它们在分散状态下可潜在地平衡高效的肿瘤渗透能力，在聚集状态下则可实现延长滞留和减少清除[46]、[47]、[48]。尽管取得了显著进展，但在肿瘤特异性刺激响应下精确控制DNA纳米材料的尺寸和聚集仍然是一个关键挑战，限制了其在靶向成像和治疗方面的转化潜力[49]、[50]、[51]。与此同时，关于功能纳米材料的最新研究证明了动态尺寸调节和肿瘤微环境响应性的可行性，为设计刺激激活的治疗平台奠定了基础[52]、[53]、[54]、[55]、[56]。在此，我们报告了一种基于DNA的纳米系统的开发，该系统能够由肿瘤相关microRNA-21（miRNA-21）特异性触发可控聚集，用于乳腺癌的靶向荧光成像和光热治疗。该纳米系统设计集成了三项关键功能，包括肿瘤标志物的特异性识别、激活过程的实时荧光监测以及通过光热剂聚集增强的光热性能。为实现肿瘤特异性递送，引入了一种靶向适配体以促进肿瘤细胞的选择性内化。该设计确保纳米系统在循环和正常组织中保持稳定，仅在肿瘤标志物存在时发生特异性激活，从而最大程度地减少脱靶效应。因此，本研究的目标是评估纳米系统对miRNA-21的结构完整性和聚集行为，评估其光热转换效率和稳定性，阐明其理化性质与治疗性能之间的关系，研究其细胞摄取和选择性细胞毒性，并在小鼠乳腺癌模型中验证其体内荧光成像能力和抗肿瘤效果。通过这些研究，我们旨在建立一个稳健且多功能的靶向癌症诊疗平台，具有进一步临床转化的潜力。材料与方法材料吲哚菁绿（ICG）、丙烯酰胺（ACR）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、过硫酸铵（APS）、2-羟基-1-乙硫醇（β-ME）购自麦克林（中国上海）。细胞计数试剂盒-8（CCK-8）、CALCEIN/PI细胞活力与细胞毒性测定试剂盒、Annexin V-FITC凋亡检测试剂盒、比色法TUNEL凋亡检测试剂盒购自碧云天（中国上海）。Tris-EDTA缓冲液（TE）、MgCl?、DNA Ladder A（25-500 bp）购自 Sangon Biotech（生工生物）TDN-ICG-Y^py^ 纳米系统的构建与表征设计了一种基于DNA的纳米系统，命名为TDN-ICG-Y^py^，旨在实现对肿瘤相关microRNA-21（miRNA-21）的特异性荧光成像，并通过聚集增强光热治疗（Scheme 1）。该纳米系统由七条经过合理设计的单链DNA寡核苷酸自组装而成。首先由四条DNA链形成DNA四面体。ICG通过5'端氨基与……之间形成的酰胺键共价偶联至DNA四面体上。结论我们开发了一种基于DNA的纳米系统TDN-ICG-Y^py^，该系统能够响应肿瘤标志物miRNA-21发生特异性聚集，从而实现乳腺癌的靶向荧光成像和增强光热治疗。该纳米系统集成了DNA四面体、ICG以及吡烯修饰的Y型结构，其中MUC1适配体赋予肿瘤特异性递送能力。我们的结果表明，miRNA-21触发纳米系统的聚集，导致光热转换效率提高CRediT作者贡献声明**吴文静**：原稿撰写、形式分析、数据整理、概念构思。**王军晓**：审阅与编辑、验证、方法论。**赵航**：调查研究、形式分析。**姜瑶**：监督指导、资源、项目管理。**奚冬梅**：审阅与编辑、可视化、监督指导、资助获取。利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告工作的客观性。致谢本工作得到了山东省泰山学者基金（编号：tsqn202211241）、国家自然科学基金委员会（22276085, 22274068）和临沂市重点研发项目（2023025）的支持。吴文静 | 王军晓 | 赵航 | 姜瑶 | 奚冬梅山东省肿瘤标志物检测技术重点实验室，临沂大学生命科学学院，山东 276005，中国