核酸自组装纳米递送载体的研究进展

陈可仁， 汪未申， 朱龙佼， 张洋子,， 贺晓云， 黄昆仑， 许文涛*

1.中国农业大学营养与健康系，食品精准营养与质量控制教育部重点实验室，北京100083；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083

近年来，核酸材料由于其良好的生物相容性、易得性和可编程性等特性，在各个领域应用均较广泛，为构建复杂纳米结构和纳米器件提供了理想材料。核酸自组装纳米结构因具有形貌可控、分子识别精准、成本低、毒性低、可任意编程和设计等特点，目前，已广泛应用于药物递送、细胞成像、生物传感、材料科学等领域［1-3］。核酸纳米递送载体在生物医学领域展现出巨大潜力，一定程度上解决了药物递送领域亟待完善的问题。本文对于核酸纳米载体的组装方式、分子识别靶向策略、药物控制释放的相关方法及其在药物递送领域的应用进行了综述，旨在为核酸自组装递送载体的研究及临床应用提供参考。

1 核酸自组装

1982 年，Seeman 等［4］提出DNA 可以作为结晶客体分子的合成骨架，这将人们对于核酸的认识从一种生命必需的遗传物质拓宽至纳米级别的良好材料。目前，科学家们已经基于核酸材料构建了不同的DNA、RNA 自组装结构，并且将其与多种材料结合，成功推动了核酸自组装领域和多种构建策略的发展（图1）。

图1 核酸自组装纳米递送载体的研究进展Fig.1 The research progress of nucleic acid-based self-assembling nanocarriers

1.1 DNA自组装纳米载体

DNA 瓦片（DNA tiles）自组装是将≥2 条的DNA 双链在分子水平上连接成不同形状的单元，然后将拼块自下而上通过粘性末端组装成DNA纳米结构［5］。1982 年，Seeman 等［4］基于粘性末端和分支DNA 构建了多种二维、三维晶格结构，并提出了Holliday交叉结以及更多稳定的DNA 瓦片单元［6］。DNA 瓦片技术能实现精准的层层自组装，常用于组装复杂的一维、二维DNA 纳米笼，在制备周期性可重复的纳米结构中有一定优势，但其制备和设计过程复杂、严苛，组装效率较低，易发生错配。因此，为了满足应用需求，亟需探寻一种更简洁、高效的自组装策略。

2006 年，Rothemund 等［7］发明了DNA 折纸技术（DNA origami），即将较长的单链DNA 分子（7 000 nt）通过特定设计被较短的寡核苷酸链引导折叠成具有特定二维形状的图形。DNA 折纸作为一种自下而上制备新型纳米组装体和纳米器件的理想方法，极大程度推动了核酸纳米技术的发展，该方法对链间序列的对称性无严格要求，可有效避免错配，因此，自组装效率较高。然而，体内核酸酶的降解作用引起的不稳定性和组装的高成本在一定程度上限制了DNA 折纸技术在药物递送和临床试验中的应用。

模块化自组装法将DNA 瓦片和DNA 折纸技术的优点有机结合，将各个分散的模块逐步合并，避免了DNA 瓦片组装的复杂设计以及DNA 折纸结构的不稳定性［3，8］。基于其独特优势，该方法更适合制备体积更大、结构更复杂和灵活度更高的DNA纳米结构。

1.2 RNA自组装纳米载体

RNA 由于生物相容性和体内选择性较高，加之RNAi 治疗技术的迅猛发展，近年来RNA 纳米组装体在药物递送领域，尤其是基因药物递送方面受到了广泛关注。

2006 年，Syehan 等［9］首次提出了基于滚环转录技术（rolling circle transcription，RCT）的自组装策略。利用RCT 技术能够体外转录出可重复性的长RNA 单链的特性，通过对环状模板的特定设计，组装体内可包含各种功能单元；并且通过控制转录条件，RCT 自组装纳米结构的形貌、大小可控，能够在一定时间内高效合成结构致密、稳定的RNA 纳米载体。此外，RNA 能通过化学偶联或杂化自组装形成结构致密、可编程和相对稳定的高分子聚合物，如巯基修饰的策略已广泛应用于RNA 偶联自组装的研究中［10］。RNA 单链间能够通过形成可裂解的二硫键实现自组装，这类策略一方面提高了RNA 纳米结构的致密性，增加其在血液循环中的停留时间；另一方面可为药物的刺激响应释放提供机会，进而提高治疗效果。

RNA 纳米技术因其独特的优势和理想的应用前景引起了人们广泛地关注，为保证药物在体内复杂环境中仍具有可观的药效，研究人员应着力解决RNA 纳米结构的大规模组装和高效纯化，以及其在体内溶酶体逃逸的问题。

1.3 复合材料纳米载体

复合材料纳米载体具有核酸材料可编程、分子识别精准、稳定和特定生理活性的特点，且经特定设计，非核酸材料的引入一定程度上能够提高核酸材料的组装效率［11］，如金属纳米材料具有优异的表面修饰性和稳定性，并且其形貌、大小可控，具有相应的光热性能，将核酸材料与金属纳米材料结合，能够制备出基于光热治疗或光动力治疗的癌症治疗平台［12］；基于二氧化硅等无机材料独特的物化性能，可以组装核酸功能化的高效药物递送载体［13］；将核酸材料与脂类材料或高分子聚合物联用，在提高细胞内化率、实现粒径可控的同时可促进药物在靶位点聚集，提高体内的生物安全性［14］。微纳米领域在生物医学方面潜力巨大，且材料间的优势互利在药物递送和临床应用方面均有较高的价值。

2 核酸自组装纳米载体的靶向特性

精准的靶向识别是药物递送载体的重要性质之一。主动靶向作用使药物在靶组织、细胞或亚细胞器中富集，在同等治疗效果下能够减少给药剂量，提高药物递送系统的生物安全性，降低外源药物引起的严重不良反应，并在一定程度上规避耐药性，实现剂量可控、安全、高效和低成本治疗。核酸自组装纳米载体能够通过碱基互补配对原则高效负载核酸适配体，修饰小分子配基或负载蛋白，基于此，核酸递送系统则能以多种方式精准识别靶部位。

核酸适配体是一类能够与靶物质特异性结合的寡核苷酸序列［15］。药物递送系统中的核酸适配体靶向病症组织细胞表面或胞内的生物标志物，即可将药物选择性地输送至病症部位，如AS1411或Sgc8 等均为癌症靶向的经典适配体，在肿瘤治疗领域应用广泛［16］。此外，肿瘤细胞膜表面高表达叶酸受体、生物素受体、唾液酸残基等物质，具有增加其恶性增殖的能力，有研究者应用此特性，在载体表面修饰相关小分子，构建肿瘤靶向的药物递送载体［17］。一些蛋白质或靶向肽也具有相应的选择性结合功能，核酸载体通过搭载靶向性蛋白质即可提高药物递送的选择性，使药物在靶部位有效聚集［18］。但由于蛋白质是一种大分子物质，会增加药物递送载体的粒径，因此，在载体设计时需综合考虑递送系统的结构和功能，使其兼具精准的靶向性和良好的内化效率。

3 核酸自组装纳米载体的刺激响应性

核酸自组装纳米载体具备较好的刺激响应特性，药物在到达有效部位前的药物泄露是导致药物失效或药效低下的主要原因，基于核酸材料的药物递送系统能够通过元件设计，以高度可控的方式保护药物不被降解，直至在靶部位被特定信号触发，释放药物，极大程度保留了药物的生理活性，相关研究为临床缓释药物的设计提供了科学依据［19］。基于触发信号的类型分类，核酸自组装纳米载体能够响应肿瘤微环境，包括光、温度、酶以及特定核酸等体内和体外信号。

低pH、氧含量和强还原性是肿瘤微环境的代表性特征［20］。研究者基于上述肿瘤疾病本身的特征作为触发释放的元件，当药物与其载体循环至肿瘤部位时，载体发生变构或解体，内部药物释放，实现高效的治疗作用，如i-motif 功能核酸元件能响应肿瘤部位的低pH，自身发生变构；二硫键能够被肿瘤细胞高表达的谷胱甘肽还原断裂，促使载体解体［21-23］。以上策略极大程度上降低了肿瘤治疗过程中伴随的严重不良反应。

光响应药物递送系统是另一类具有广泛应用前景的递送策略。连接有光裂解键的核酸纳米载体能够在特定波长的光刺激下，实现光交联剂的裂解，进而使自身载体发生变构或解体，内部的药物释放至靶部位，进而治疗疾病［24］。光刺激响应方式还为癌症的光动力治疗和光热治疗应用奠定了理论基础。被核酸纳米负载的光敏剂能够被特定波长的光激发，产生有害于细胞或组织的活性氧等物质，以促进肿瘤细胞的凋亡［25］；同时，金纳米棒、银纳米簇等纳米药物也能响应光的刺激，产生大量热量，实现肿瘤时空可控的治疗目的，减少对正常组织的损伤［26］。

温敏型材料能够响应环境温度变化实现变构，这类材料在不同温度下的孔径、粒径大小或聚合度不同，可在药物递送领域对药物实现包封和释放模式的转换［27］。有研究者在核酸纳米笼结构中引入了热敏发夹元件，通过温度有效控制了蛋白酶在靶部位的释放［28］。但由于机体温度的相对稳定，温控药物释放系统在体内应用中需要体外元件辅助。

载体中的酶能够通过裂解核酸纳米载体触发药物的释放，酶响应的药物递送系统可以不由任何外部辅助因子控制，而是通过细胞内源性酶类刺激药物的释放，如Dicer、DNase、RNase 等酶类在核酸材料结构控制方面具有各自的优势［29］，且均能实现药物在体内的精准释放，因此，在纳米技术领域得到了广泛的应用。

核酸纳米递送载体还能以高度特异性和选择性的方式响应特定的核酸序列，从而控制药物释放过程。存在于靶细胞内的核酸标志物是一类有效的药物释放触发器，经过特定设计的核酸纳米笼能够基于链置换反应或核酸变构实现表面孔隙度的变化，控制纳米笼的开、关状态［10，30］；而胞内的特定分子（如ATP 等）也可以与其存在于载体中的适配体结合，引起药物递送系统的变构，释放药物［17］。

4 核酸自组装纳米载体的应用进展

核酸自组装结构作为一种纳米递送载体，在药物递送领域已被广泛研究。核酸自组装纳米递送载体能够递送蛋白质、小分子、核酸药物、纳米药物等，在基因治疗、免疫治疗及化学治疗中效果理想。

核酸自组装纳米递送载体能够搭载并携带蛋白酶或抗体等蛋白类物质进入体内，保护蛋白质在体循环中不被酶及代谢物分解，随后在肿瘤或其他靶部位选择性地释放药物，实现了提高药效、降低不良反应的目的［31］。此外，包括阿霉素在内的部分常用癌症小分子化疗药物能够与核酸结构作用并实现高效的药物包封及体内递送，目前已被广泛研究［21］。天然产物药物良好的生物安全性和生物相容性使其成为理想的临床药物，但大多数存在体内稳定性、水溶性和靶向性较差，生物利用率低及吸收率低等不足。核酸自组装纳米递送载体能够赋予天然产物药物靶向性及可控释放的特点，近年来，主要用于递送紫杉醇、姜黄素、喜树碱等小分子天然产物［32-34］。在递送领域，核酸不仅是一种载体材料，其本身更是一种具有高度靶向性的治疗药物。通过设计特定的核酸自组装纳米载体能够高效搭载任意核酸药物，且能够将干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）、微RNA（microRNA，miRNA）、反义寡核苷酸（antisense oligonucleotides，ASO）以及免疫核酸药物递送至靶位点，实现理想的基因治疗效果，体现了核酸药物及核酸载体在医学领域的巨大潜力［35］。纳米药物由于其独特的尺寸效应及较高的稳定性，在光热治疗领域引起了研究人员的广泛关注。近年来，核酸纳米递送载体常用于包封金、银纳米材料并将其递送至靶部位，为纳米药物提供了一个理想的递送平台［12］。

5 展望

核酸具有高度可编程性，因此，基于核酸材料能组装出各种多功能的纳米结构，已广泛应用于多个领域。在药物递送方面，核酸纳米载体目前已经形成了相对成熟的纳米组装方式，实现了一定的靶向和刺激响应能力，能够对蛋白质药物、核酸药物、小分子药物和纳米药物等实现良好的组装搭载效率，为更理想的治疗效果和进一步的临床应用奠定了理论基础。未来核酸自组装技术应实现更多元的设计，以实现搭载多种类型的递送货物，并应用于纳米食品等新兴领域；科研人员还应完善核酸自组装结构的应用特性，进一步提高载体的靶向能力，开发智能控释策略，以推进产业化进程。