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圖1. USD納米系統(tǒng)的合成過程及其在時空控制基因沉默和氣體協(xié)同癌癥治療中的應用示意圖。

本工作開發(fā)了最終一種智能納米平臺（USD），它結合了NIR光觸發(fā)的NO釋放和APE1誘導的治療性DNAzymes激活，實現(xiàn)了時空特異性的氣體-基因協(xié)同治療（圖1）。該納米平臺由三個不同的部分組成：1)UCNPs作為光傳感器；2)S-亞硝基-乙酰青霉胺（SNAP）作為NO供體；3)基于DNAzymes的AP-Dz作為APE1激活的基因沉默單元。具體來說，AP-Dz是通過DNAzymes與AP鏈雜交建立的，其中DNAzymes可以靶向并切割靶標生存蛋白（survivin mRNA），而AP鏈（包含兩個apurinic/apyrimidinic（AP）位點）通過與DNAzymes雜交抑制其基因治療活性。當納米系統(tǒng)在腫瘤部位積累后，NIR光照射使能量從UCNPs轉移到SNAP而產(chǎn)生NO，導致DNA損傷實現(xiàn)NO氣體治療。此外，在腫瘤細胞質中過表達的APE1可以誘導AP-Dz在AP位點的裂解，恢復DNAzymes的基因治療活性。值得注意的是，NO介導APE1從細胞核到細胞質的易位提高了DNAzymes的激活效率，從而提高基因沉默效果?？傊?，NIR觸發(fā)的級聯(lián)效應納米系統(tǒng)提高了基因沉默的準確性和治療效率，顯示了基因-氣體協(xié)同治療的潛力。

圖2 溶液相實驗.

作者首先對USD響應相關性能進行了驗證（圖2）。溶液相熒光實驗證明，AP-Dz對APE1酶具有良好的響應性能，且當將靶標mRNA，AP-Dz和APE1酶共孵育時，DNAzymes表現(xiàn)出高效的mRNA切割能力。由于該納米平臺中UCNPs在NIR照射下的發(fā)射光譜與NO供體的吸收光譜存在明顯重疊，作者探究了NIR照射下該納米平臺的NO釋放能力。實驗結果顯示，隨著NIR照射時間的延長，溶液中NO濃度不斷提高，顯示出該納米平臺產(chǎn)生NO的能力。

圖3 細胞內(nèi)NO產(chǎn)生與APE1響應驗證.

隨后作者在細胞水平考察了該納米系統(tǒng)的NO產(chǎn)生能力（圖3），共聚焦實驗證明USD在NIR照射下有效產(chǎn)生NO，而黑暗條件下NO產(chǎn)生水平幾乎可以忽略。通過蛋白免疫印記（WB）實驗，作者驗證了該納米系統(tǒng)在NIR照射下引起了HeLa細胞細胞質中APE1表達水平的上調，并通過共聚焦實驗驗證了AP-Dz在細胞中對APE1的響應能力。共聚焦圖片顯示，相對于nAP-USD和nAP-USD+NIR組，USD處理組的HeLa細胞顯示出增強的紅色熒光信號，證明了AP-Dz響應于腫瘤細胞質中高表達的APE1酶后釋放DNAzymes。特別強調的是，USD+NIR處理組的HeLa細胞顯示出更強的的熒光信號，這是由于NIR激發(fā)USD產(chǎn)生NO，NO引起細胞質中APE1水平的升高，增強了AP-Dz的激活效果。

進一步對USD的基因沉默和NIR光控NO釋放在細胞內(nèi)治療效果進行了探究（圖4）。實時熒光定量PCR（qRT-PCR）和蛋白免疫印記（WB）實驗證實，NIR激發(fā)的級聯(lián)效應將有效提高靶標蛋白的沉默效果。另外，細胞毒性與活死染色實驗證明，NO也將直接參與腫瘤殺傷，最終實現(xiàn)基因-氣體協(xié)同抗腫瘤效果。

除此之外，小鼠宮頸癌腫瘤模型實驗證實，該納米系統(tǒng)在NIR激發(fā)下展現(xiàn)出良好的協(xié)同抗腫瘤能力（圖5），突顯了該納米平臺在精準、高效抗腫瘤中的應用潛力，也為DNAzymes在疾病精準治療中的應用提供了參考范例。

本工作開發(fā)了一種NIR觸發(fā)的級聯(lián)效應納米系統(tǒng)，用于時空精確可控的基因沉默和氣體-基因協(xié)同癌癥治療。在這個納米系統(tǒng)中，UCNPs作為光轉換器，在NIR光下產(chǎn)生NO來介導氣體治療。同時，產(chǎn)生的NO誘導了APE1的亞細胞重定位，從而提高了DNAzymes的激活效率。這種NIR觸發(fā)的級聯(lián)效應允許時空控制的基因沉默和基因-氣體協(xié)同治療，在體外和體內(nèi)實現(xiàn)增強的抗癌效果。

論文第一作者為深圳大學博士后程亞如，通訊作者為深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院董海峰教授。本工作得到了國家重大研究計劃項目，國家自然科學基金，深圳市醫(yī)學研究專項資金項目，廣東省珠江團隊項目和中國博士后科學基等項目的資助。

董海峰，國家優(yōu)青，深圳大學特聘教授/博導，深圳大學發(fā)展規(guī)劃部副主任兼學科建設辦公室主任，校學術委員會委員，深圳市納米生物傳感技術重點實驗室副主任。主要從事生物分子傳感及納米藥物分析研究。2010年以來，在Chem. Rev., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater.等雜志發(fā)表SCI論文167篇，論文被引用12000余次。出版中英文專著2本，主編英文專著1本。2020-2023年科睿唯安全球高被引科學家，入選斯坦福大學“2020-2022全球前2頂尖科學家”名單及終生榜單。主要研究方向：生物傳感、microRNA分析檢測、納米診療。