四面体DNA工程化Janus纳米平台用于通过高效递送外源DNA增强Zn2+干扰疗法和cGAS-STING激活

《Journal of Controlled Release》：Tetrahedral DNA engineered Janus nanoplatform for potentiated Zn2+ interference therapy and cGAS-STING activation via efficient delivery of exogenous DNA

• •
  我们通过一锅法和可控策略合成了ZnFe₂O₄-ZnO Janus纳米颗粒，用于高效递送外源DNA。
• •
  增强的肿瘤渗透显著提高了肿瘤内Zn²⁺水平并改善了Zn²⁺干扰效果。
• •
  TDN-ZIZJP实现了Zn²⁺的持续释放和dsDNA递送，以增强cGAS-STING先天免疫信号传导。

引言

乳腺癌仍然是全球女性中最常见的恶性肿瘤之一[1], [2]。开发有效的治疗系统仍然是临床上的重大挑战[3]。近年来，离子干扰治疗应运而生，通过有意破坏金属离子稳态来诱导肿瘤细胞死亡，提供了一种新的治疗范式[4], [5]。与铁死亡和钙超载等已被充分研究的模式相比，基于锌基纳米材料的锌离子（Zn²⁺）干扰治疗仍处于起步阶段，但已显示出独特的治疗潜力和广阔的转化前景[6], [7], [8]。Zn²⁺是生物系统中含量最丰富的过渡金属之一，在维持细胞稳态、调节酶活性和介导免疫信号传导中发挥着不可或缺的作用[9], [10], [11]。近年来的研究表明，肿瘤微环境（TME）中异常的Zn²⁺动态变化同时激活基质金属蛋白酶（MMPs），促进细胞外基质（ECM）降解[12], [13], [14]。这些独特特性改善了纳米药物的渗透，调节细胞外基质重塑和先天免疫激活，从而促进肿瘤细胞死亡[14], [15]。然而，Zn²⁺干扰治疗对实体瘤的疗效受到肿瘤内Zn²⁺水平相对较低的限制，原因是其在肿瘤中的渗透性和分布较差[6], [14], [15]。纳米药物的物理化学性质，如尺寸、表面电荷和形状，已被证明对其肿瘤渗透能力有显著影响[16]。其中，纳米药物的几何形状已被确定为影响其肿瘤渗透的关键参数[17]。几何形状决定了纳米药物的表面积和排斥力，这显著影响了肿瘤组织与纳米药物之间的相互作用[18], [19]。类刺状形态已被证明通过改善粘附和细胞摄取而具有对实体瘤的高渗透性[18]。此外，与传统球形或准半球形纳米材料相比，棒状纳米材料在血管渗透和肿瘤间质渗透方面更具优势[20]。因此，开发具有各向异性形态、具有高肿瘤渗透性的Zn²⁺干扰纳米药物，以改善Zn²⁺干扰治疗的疗效，是非常有意义的。

同时，Zn²⁺的异常分布破坏了氧化还原稳态，并调节了环鸟苷酸-腺苷酸合酶（cGAS）的酶活性[21], [22]。这种破坏随后促进了干扰素基因刺激因子（STING）的激活和细胞内易位，最终放大了由cGAS-STING通路介导的先天免疫反应[11], [22], [23]。然而，Zn²⁺仅增强cGAS对DNA的识别，而不诱导免疫刺激，不足以独立维持持续的cGAS-STING激活[22], [24], [25]。引入cGAS-STING激活剂可以增强cGAS-STING激活，并改善Zn²⁺干扰治疗的免疫治疗效果[23], [26], [27], [28]。迄今为止，已经鉴定出多种cGAS-STING激活剂，如化疗药物和外源性STING[28], [29], [30]。其中，基于核酸的STING激动剂，如干扰素刺激DNA（ISD），在引发先天免疫激活方面显示出显著的功效[31]。特别地，四面体DNA纳米结构（TDNs）是一类自组装的DNA结构，具有相对长期的结构稳定性和优异的生物相容性，可作为能够激活cGAS-STING通路的可编程免疫调节单元[32], [33], [34]。TDN的刚性三维结构赋予了其优于线性dsDNA的核酸酶抗性和更高效的胞质递送，为改善Zn²⁺增强的cGAS-STING激活提供了强大的底物来源[32], [33]。此外，TDN可以很容易地用适配体修饰，通过增强纳米药物的渗透性和增加抗肿瘤药物在肿瘤中的积累，显著提高抗肿瘤疗效和免疫反应[35]。因此，设计与TDN杂交的Zn²⁺基纳米药物以改善Zn²⁺干扰和免疫治疗是必要的，但仍然具有挑战性。

基于这些见解，我们开发了钉状锌掺杂氧化铁-氧化锌Janus纳米颗粒（ZIZJ），并与四面体DNA纳米结构（TDN-ZIZJP）整合，通过增强肿瘤渗透来实现精确高效的Zn²⁺干扰治疗。与立方状锌掺杂氧化铁纳米颗粒相比，钉状ZIZJP显示出更高的细胞摄取和更深的肿瘤渗透。此外，TDN上的适配体进一步改善了细胞摄取和肿瘤渗透。高肿瘤积累和深部肿瘤渗透使TDN-ZIZJP能够在肿瘤中释放足够的Zn²⁺，有效诱导ECM降解，增加ROS水平，损伤细胞内线粒体，并显著缩小乳腺肿瘤。此外，整合的TDN作为可编程免疫调节单元，进一步增强了Zn²⁺对cGAS-STING通路的激活效果，显著提高了基于Zn²⁺的免疫治疗效果，并抑制了乳腺肿瘤转移。总之，该设计将酸响应性Zn²⁺诱导剂与TDN来源的dsDNA储库在精确的空间邻近性中整合，克服了单药STING激动剂的短暂疗效，实现了持续的、双源免疫激活。

章节片段

ZnFe₂O₄-ZnO Janus纳米颗粒（ZIZJ）的合成

ZIZJ通过高温热分解溶剂热法合成，使用金属油酸盐前驱体。简言之，将油酸铁（0.90 g，1 mmol）和油酸锌（0.47 g，0.75 mmol）加入三颈圆底烧瓶中，然后加入油酸（500 μL）和油胺（500 μL）作为双功能表面活性剂。将混合物溶于1-十八烯（15 mL）中，超声处理5分钟以获得均匀的胶束分散液。所得溶液随后进行脱气处理

ZIZJ和CZI的制备与结构表征

在本研究中，通过Fe-油酸盐和Zn-油酸盐在含有油酸和油胺的1-十八烯中的热分解，制备了钉状锌掺杂氧化铁-氧化锌Janus纳米颗粒（ZIZJ）和立方状锌掺杂氧化铁纳米颗粒（CZI）。为了阐明这种不对称Janus结构的形成机制，我们通过TEM监测了时间依赖的形貌演变（图S1）。在15分钟时，前驱体分解形成明确的立方ZI种子。从30分钟到

结论

我们报道了一种Zn²⁺干扰治疗纳米平台（TDN-ZIZJP），通过钉状形态和离子-DNA协同范式增强了肿瘤渗透，以放大先天免疫。基于独特的形貌和适配体，TDN-ZIZJP显示出增强的肿瘤渗透和细胞摄取，导致肿瘤中选择性Zn²⁺释放增加，促进了细胞外基质重塑，提高了氧化应激水平，加剧了DNA损伤。此外，充足的Zn²⁺

CRediT作者贡献声明

Mingya Tan：写作–初稿，方法学，调查，正式分析，数据管理。Meiling Liu：方法学，数据管理。Xin Sun：调查，数据管理。Jiangyang Li：可视化，调查。Linlin Huo：数据管理。Mengke Fan：软件，调查。Jiayi Zhao：数据管理。Chunlu Liu：调查，正式分析。Zhenghuan Zhao：写作–审阅与编辑，监督，基金获取，概念化。

伦理批准与参与同意

所有动物实验均按照重庆医科大学伦理委员会评估和批准的指导方针进行（IACUC-CQMU-2023-0106）。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

本研究中使用的示意图通过BioRender.com创建。本工作得到国家自然科学基金（32571590）、重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-LZX0033）的资助。

Mingya Tan|Meiling Liu|Xin Sun|Jiangyang Li|Linlin Huo|Mengke Fan|Jiayi Zhao|Chunlu Liu|Zhenghuan Zhao