本文报道了一项关于端粒酶响应性DNA二十面体用于精准递送铂纳米药物至顺铂耐药癌细胞的研究。该研究由Yi Ma、Zhaohui Wang、Yuxuan Ma、Zhihao Han、Min Zhang、Haiyan Chen和Yueqing Gu等人完成，其中Yi Ma与Zhaohui Wang为共同第一作者，Haiyan Chen与Yueqing Gu为通讯作者。研究单位为中国药科大学工学院生物医学工程系及天然药物国家重点实验室。该论文发表于《Angewandte Chemie International Edition》2018年第57卷，页码为5389–5393，在线发表时间为2018年4月14日。

从学术背景来看，该研究属于DNA纳米技术与药物递送领域的交叉研究。DNA作为一种生物遗传物质，具有高生物相容性和低细胞毒性，因此近年来被广泛用于构建人工纳米结构以进行药物递送。与传统药物载体相比，DNA纳米结构具备高度可控的结构、可寻址的修饰位点、通过序列杂交实现的稳定性、易于包裹生物分子以及有效的细胞摄取等优势。然而，大多数小分子抗癌药物常因癌细胞产生耐药性而导致疗效不佳。虽然纳米制剂可以在一定程度上缓解耐药性，但裸纳米药物往往因非特异性释放而对正常器官产生全身毒性。因此，将裸纳米药物包裹在生物相容性载体中，并实现在肿瘤环境中的可控释放，成为一种理想的策略。人端粒酶在85%至90%的人类癌细胞中表达，但在正常细胞中几乎不存在。端粒酶是一种独特的核糖核蛋白，能够延长端粒末端的端粒重复序列，从而维持癌细胞的持续增殖。正常细胞与癌细胞之间端粒酶活性的显著差异使其成为靶向抗癌治疗中控制药物释放的优良刺激因子。基于此，本研究旨在设计一种端粒酶响应性DNA二十面体，用于在肿瘤细胞中特异性释放被包裹的铂纳米药物，以克服顺铂耐药性。

在具体研究流程方面，该研究首先构建了端粒酶响应性DNA二十面体。该二十面体由15种特定设计的DNA序列通过杂交自组装而成，其结构由两个金字塔形DNA笼通过端粒酶引物和端粒重复序列连接而成，并将铂纳米颗粒（PtNPs）包裹于DNA结构内部。模型纳米药物铂纳米颗粒被封装进自组装DNA二十面体中，形成PtNPs@DNA。在端粒酶存在时，引物被延长，导致DNA二十面体发生链置换而解离为两个组成部分，从而释放被包裹的铂纳米颗粒。随后，铂离子从铂纳米颗粒中快速释放并进入细胞核，诱导DNA损伤和细胞死亡，避免被癌细胞泵出，从而缓解基于药物外排的耐药性。

研究通过凝胶电泳验证了DNA结构每一步自组装的正确性，电泳条带的出现证明了设计的结构能够通过可控杂交成功自组装。通过透射电子显微镜（TEM）对铂纳米药物在DNA二十面体中的装载和释放进行了表征。TEM图像显示，包裹在DNA二十面体中的铂纳米颗粒分布在“笼”区域内且呈非随机分布；而在端粒酶孵育后，铂纳米颗粒解离并随机分散，与游离颗粒相似，证实了端粒酶刺激能够打开DNA二十面体并释放药物。流体动力学直径测量显示，铂纳米颗粒和PtNPs@DNA的直径分别为2.9纳米和29.5纳米。为了优化封装铂纳米药物的尺寸，研究合成了直径分别为2、4和10纳米的铂纳米颗粒，并将其封装到DNA二十面体中。结果显示，2纳米和4纳米的铂纳米颗粒可大量装载，而10纳米的大颗粒仅能少量封装。由于较小纳米颗粒具有更高的比表面积和更快的铂离子释放速率，且2纳米铂纳米颗粒具有更高的装载量和更高效的铂离子释放，因此被选为合适的纳米药物进行后续实验。

为验证端粒酶触发的结构打开，研究将多柔比星（DOX）分子嵌入DNA二十面体配体链的GC碱基对中。由于DOX嵌入后荧光被淬灭，因此可以通过观察DOX荧光强度的变化来监测链的打开。实验显示，在无端粒酶孵育时，120分钟内未检测到荧光信号，表明DNA二十面体结构稳定；加入端粒酶和dNTPs后，荧光强度逐渐增加，且端粒酶活性越高，荧光恢复越快。在活细胞实验中，研究选择了端粒酶活性不同的L02（正常肝细胞）、HepG2（肝细胞癌）和U87MG（恶性胶质瘤）细胞，并将DNA二十面体用异硫氰酸荧光素（FITC）标记以进行胞内追踪。共聚焦图像显示三种细胞中均有FITC荧光，表明DNA二十面体可被癌细胞和正常细胞摄取。但释放的DOX红色荧光仅在U87MG和HepG2癌细胞中观察到，而在正常L02细胞中未见，说明DNA二十面体能够在癌细胞中对端粒酶作出灵敏响应。此外，在U87MG与L02共培养体系中，DOX荧光也仅在U87MG细胞中出现。不含端粒酶响应单元的DNA二十面体在所有三种细胞中均未显示DOX荧光，但FITC荧光相当，进一步证明端粒酶触发的链打开和药物释放在癌细胞中是可靠的过程。

在体外抗肿瘤效果评价中，研究使用BGC823/DDP（顺铂耐药人胃癌细胞）、BGC823（人胃癌细胞）和L02（正常细胞）进行了细胞活力实验。结果显示，顺铂对耐药BGC823/DDP细胞即使在高浓度下也未造成显著的活力下降，但在BGC823和L02细胞中则表现出毒性。铂纳米颗粒处理在所有三种细胞中均导致明显的细胞存活率下降，但由于非选择性药物释放，铂纳米颗粒对正常L02细胞同样有毒。而将铂纳米颗粒封装进DNA二十面体后，仅在BGC823/DDP和BGC823细胞中观察到细胞毒性，这是因为端粒酶触发了铂纳米颗粒在癌细胞中的特异性释放。免疫荧光染色显示，在顺铂处理的BGC823/DDP耐药细胞中几乎没有铂-DNA加合物形成；而PtNPs和PtNPs@DNA处理均能在耐药细胞中产生足够的铂-DNA加合物，且PtNPs@DNA在正常L02细胞中避免了毒性。研究还发现纳米铂能够下调与癌细胞“干性”相关的多个基因（CD24和ABCG2），并减少BGC823/DDP细胞形成的球体数量，提示铂纳米颗粒和PtNPs@DNA可能具有克服干性和降低顺铂耐药癌细胞侵袭性的潜力。

在体内实验中，研究使用BGC823/DDP荷瘤裸鼠评价了PtNPs@DNA的肿瘤靶向能力和抗肿瘤疗效。近红外荧光成像显示，PtNPs和PtNPs@DNA均通过增强渗透滞留效应在注射后6小时靶向肿瘤区域，但PtNPs@DNA在肿瘤部位的荧光信号更强，表明包裹在DNA二十面体中后更多的铂纳米药物在肿瘤组织中积累。体内抗肿瘤实验表明，顺铂仅轻微减小肿瘤体积，而纳米铂处理组表现出显著的肿瘤生长抑制，因为PtNPs和PtNPs@DNA均能克服BGC823/DDP肿瘤的耐药性。尤其值得注意的是，PtNPs@DNA由于具有肿瘤特异性端粒酶响应性和充分的肿瘤积累，在肿瘤体积抑制和生存率方面均显著优于PtNPs。治疗过程中各组小鼠体重无明显变化。组织学分析和免疫组化染色显示，PtNPs@DNA治疗组具有更好的疗效和更低的毒性，肿瘤组织中CD24和ABCG2表达下降，而顺铂治疗组则升高。

综合来看，本研究成功开发了一种端粒酶响应性DNA二十面体用于封装铂纳米药物，实现了在端粒酶高表达的癌细胞中特异性释放药物，缓解了耐药性并降低了全身毒性。该研究的科学价值在于将端粒酶作为内源性刺激因子，利用DNA纳米结构的可编程性和可控解离特性，构建了肿瘤微环境响应性药物递送系统。应用价值方面，该策略不仅适用于铂类药物，还可推广至多种抗癌药物和不同的DNA多面体结构，为克服肿瘤耐药性和实现精准治疗提供了新思路。研究的亮点包括：利用端粒酶在癌细胞与正常细胞中的显著差异实现特异性药物释放；将裸铂纳米颗粒封装于DNA二十面体中以避免非特异性毒性；通过链置换机制实现响应性结构解离和药物突释；以及在耐药肿瘤模型中同时验证了体外和体内的克服耐药效果。此外，研究还表明纳米铂具有下调癌细胞干性相关基因的潜力，进一步拓展了该递送系统在抑制耐药癌细胞侵袭性方面的可能应用。