硫化氢激活的DNA工程Ag@Ag@普鲁士蓝纳米平台用于级联ROS放大

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Hydrogen Sulfide-Activated DNA-Engineered Au@Ag@Prussian Blue Nanoplatforms for Cascade ROS Amplification

　　

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  A15-CpG 能够实现 Au@Ag@PB 纳米平台的序列调控稳定性。
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  H₂S 会引发 PB 的分解并促进硫化物介导的银壳蚀刻。
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  结构解体可以使 Fe²⁺ 释放出来，增加 Au 组分的可及性。
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  Au 介导的葡萄糖相关 H₂O₂ 生成可以支持 Fe²⁺ 驱动的 ·OH 产生。
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  NaHS 触发的激活作用会增加 4T1 细胞内的活性氧 (ROS) 积累。

引言

由于肿瘤的异质性、治疗选择性的限制以及肿瘤微环境的复杂生化特性，癌症治疗仍然具有挑战性。特别是，肿瘤细胞中改变的氧化还原平衡既对传统的基于 ROS 的治疗方法构成了障碍，也为开发选择性激活的催化系统提供了机会。能够放大活性氧 (ROS) 的催化纳米平台在微环境激活的生物医学应用中受到了越来越多的关注。[1], [2] 近年来，已经开发出响应肿瘤微环境的纳米材料，通过利用肿瘤的内源性生化特征来提高激活的特异性。[3], [4], [5], [6] 在这些策略中，化学动态疗法 (CDT) 特别受到关注，因为它利用过渡金属介导的芬顿 (Fenton) 或类芬顿反应将肿瘤内的过氧化氢 (H₂O₂) 转化为高活性的羟基自由基 (·OH)，从而诱导肿瘤细胞的氧化损伤。[7], [8], [9]

尽管有这种优势，CDT 的效率仍受到肿瘤微环境内在氧化还原特性的限制。[10], [11], [12] 内源性 H₂O₂ 通常不足以有效和持续地生成 ·OH，而升高的谷胱甘肽 (GSH) 可以迅速消耗 ROS 并减轻氧化应激。[13], [14], [15] 因此，有效的 ROS 放大催化系统不仅应该释放催化金属离子，还应该促进 H₂O₂ 的生成并削弱细胞内的抗氧化防御。硫化氢 (H₂S) 是某些肿瘤微环境中异常积累的一种活性硫物种，它为构建选择性激活的纳米平台提供了额外的生化触发因素。[16], [17] 对 H₂S 有响应的材料可以潜在地将肿瘤相关的激活与级联的 ROS 生成联系起来，同时在非触发条件下限制过早的催化反应。[18], [19]

高效的微环境响应型催化还需要具有可控生长特性的纳米平台，适当的表面性质以及在生物相关介质中良好的胶体行为。聚合物和生物分子（包括肽和 DNA）已被广泛用于调节和稳定基于金属的纳米粒子。DNA 为金属纳米材料的构建提供了一种有用的序列编程表面调节组件。[20], [21] 其核苷酸和磷酸骨架可以与金属表面相互作用，影响纳米粒子的稳定性并调节纳米粒子的生长。[22], [23] 特别是富含腺嘌呤的 DNA 对金表面具有有利的非共价亲和力，可以形成灵活的保护层，从而提高胶体稳定性并抑制粒子聚集。[24], [25] 含有 CpG 的 DNA 链还可以在刺激诱导的纳米结构解体过程中释放出一个与表面相关的功能性寡核苷酸组件。[26], [27], [28] 这些特性使得 DNA 序列工程成为在单个纳米平台中整合纳米粒子生长调节、胶体稳定性和功能序列引入的实用方法。[29], [30], [31] 因此，这种依赖于序列的表面调节可能有助于构建无需共价巯基修饰的响应型金属基纳米结构。

在这里，我们报道了一种经过 DNA 序列工程设计的、对 H₂S 有响应的普鲁士蓝 (PB) 涂层的 Au@Ag 纳米平台 (Au@Ag@PB)，用于级联 ROS 放大，并对其体外细胞效应进行了初步评估（图 1）。使用 A15-CpG DNA 作为表面调节配体来调节纳米结构的形成，改善胶体行为，并引入含有 CpG 的寡核苷酸组件。PB 涂层和银壳被设计为对 H₂S 有响应的组件，其解体可以释放 Fe 物种并增加底层 Au 组分的可及性，从而将 Fe 介导的芬顿化学与 Au 介导的葡萄糖相关 H₂O₂ 生成结合起来。因此，本研究旨在探讨 DNA 序列依赖的纳米粒子调节机制，阐明 H₂S 触发的结构转变和级联催化机制，并初步评估 Au@Ag@PB 纳米平台的细胞相容性、细胞内 ROS 积累和细胞抑制效果。

部分摘要

化学品和材料

氯金酸 (HAuCl₄·3H₂O, ≥99.9%)、柠檬酸钠 (≥99.0%)、硝酸银 (AgNO₃, ≥99.8%)、盐酸 (HCl, 36–38%)、抗坏血酸 (AA, ≥99.7%)、过氧化氢 (H₂O₂ (30%), 3,3′,5,5′-四甲基联苯胺 (TMB, ≥99%) 和对苯二甲酸 (TA, ≥99%) 从中国上海的中国医药化学试剂有限公司购买。PolyA20、polyT20、polyC20、CpG DNA、A15-CpG DNA、FAM 标记的 A15-CpG DNA 和胰蛋白酶-EDTA 从 Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. 购买。

DNA 序列介导的 Au@Ag@PB 纳米粒子稳定性

在纳米粒子合成过程中，DNA 不仅作为功能性生物分子，还作为表面稳定剂和生长调节配体。[32], [33], [34] 带负电荷的磷酸骨架提供静电排斥力，而与表面结合的 DNA 链引入空间稳定性，从而增强胶体稳定性。同时，核苷酸与金属表面之间的非共价相互作用可以调节纳米粒子的成核和生长。

结论

总之，通过 DNA 序列介导的表面工程，构建了一种受 A15-CpG 调节的、对 H₂S 有响应的 Au@Ag@PB 纳米平台。在测试的 DNA 序列中，A15-CpG 支持了良好的胶体行为和相对均匀的 Au@Ag@PB 形成。在 H₂S 触发的激活作用下，纳米平台发生了 PB 的分解和 Fe²⁺ 的释放，而硫化物介导的银壳蚀刻增加了 Au 组分的可及性，从而促进了葡萄糖相关 H₂O₂ 的生成。

CRediT 作者贡献声明

Senyi Yan: 验证、研究、正式分析、数据管理。Yanlei Chen: 初稿撰写、可视化、验证、方法学研究、正式分析、数据管理、概念构思。leyu Wang: 初稿撰写与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集、概念构思。Chang Lu: 初稿撰写与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学研究、资金筹集、概念构思。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了 中央高校基本科研业务费 (buctrc202412) 的支持。

Yanlei Chen|Senyi Yan|Chang Lu|Leyu Wang