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核酸分子工程与纳米技术实验室

课题组工作丨ANGEW CHEM丨具有自主抗凝功能的智能DNA纳米机器人

纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为原型,设计构建的一类可对纳米级别空间进行响应和调控的“功能分子器件”。脱氧核糖核酸(DNA)因其精确的碱基互补识别、可靠的信息编码和灵活的生化修饰等特性,在纳米结构自组装和动态调控领域取得了长足的进展,并成为构建智能分子机器的理想材料。已有研究表明,由DNA制造的纳米机器人可以在纳米尺度下执行特定的任务,例如癌细胞表面的运算识别和癌症靶向治疗等。基于DNA本身生物相容性与生物可降解性,DNA纳米机器人用于疾病诊疗不会产生生物毒性和免疫反应,因此体现出较为安全的临床应用前景。目前具有诊疗功能的人工纳米机器人大多是刺激—响应型,其“智能”水平仅能达到对特定靶标的存在与否做出响应(有或无)。然而,个性化诊疗工具的发展对纳米机器人的能力提出了更高的要求,针对靶标在正常生理条件下保持稳定浓度的特点,开发特定靶标浓度响应(阈值控制:过低或过高)的DNA纳米机器人将为个性化医疗提供更安全、更有效的策略。

 

最近,上海交通大学医学院分子医学研究院韩达研究员和杨洋研究员合作开发了一种人血浆环境中可自主抗凝的智能DNA纳米机器人。该DNA纳米机器人可以智能感知局部环境的凝血酶浓度,并在凝血酶过量时触发自主抗凝,攻克了常规抗凝药物需精确控制剂量的难题,为实现自主抗凝提供了更智能、更安全、更有效的途径。该DNA纳米机器人由桶状DNA折纸框架和DNA分子级联反应计算核心组成。计算核心包括传感器、阈值和抑制剂生成器三个模块。通过调节传感模块和阈值模块的比例,可实现对DNA纳米机器人抗凝激活浓度的任意调节,这使得纳米机器人可以在不同医疗场景中对凝血酶活性进行自主调控。

 

为证明所设计的DNA纳米机器人能够自主调控凝血酶活性,研究人员以纤维蛋白原为凝血酶底物对其抗凝效果进行了验证。结果表明,具有不同阈值控制模块的DNA纳米机器人表现出了不同的凝血抑制开关浓度。在血浆环境中的研究表明,该DNA纳米机器人具有良好的稳定性,也可在血浆中智能调控凝血酶活性。当血浆中凝血酶浓度正常时,DNA纳米机器人不产生抑制。但当凝血酶浓度高于设置阈值时,该DNA纳米机器人可自动释放抑制剂来降低凝血酶活性。且激活浓度有灵活的可调性。综上所述,本项工作中设计的DNA纳米机器人具有算法简单、模块化组装高效等特点,为凝血酶的功能调控提供了全新的智能化策略。如若结合不同的核酸适体或抗体等分子工具,则有望为其他蛋白的智能调控和疾病的精准治疗提供有效的方法。

 

论文信息:

An Intelligent DNA Nanorobot for Autonomous Anticoagulation

Linlin Yang, Yumeng Zhao, Xuemei Xu, Kangli Xu, Mingzhi Zhang, Kui Huang, Huaizhi Kang, Hsiao-chu Lin, Yang Yang, and Da Han

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007962

2020年7月27日 16:20
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