本研究由临沂大学山东省肿瘤标志物检测技术重点实验室的石鹏飞（Pengfei Shi）课题组与曲阜师范大学化学与化工学院的陈光（Guang Chen）课题组合作完成。论文发表于《Inorganic Chemistry》期刊，以通讯（Communication）形式于2019年发表。研究团队通过DNA功能化修饰纳米级金属有机框架PCN-224，构建了一种集细胞成像、靶向药物递送和光动力治疗于一体的多功能纳米平台。
癌症作为全球性的重大公共卫生问题，其常规治疗方法如放疗、化疗和手术切除仍存在较高的复发率和严重的毒副作用。光动力治疗（Photodynamic Therapy, PDT）作为一种新兴疗法，能够通过光敏剂（Photosensitizers, PSs）在光照射下产生活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS），特别是单线态氧（¹O₂），从而诱导肿瘤细胞凋亡和坏死。然而，单纯的光动力治疗难以实现对肿瘤细胞的精准靶向，这促使研究者将目光投向靶向治疗策略。
靶向治疗利用核酸适配体（Aptamer）、抗体等靶向配体对特定肿瘤细胞的高亲和力和高特异性，在药物递送系统和分子探针领域展现出巨大潜力。与此同时，纳米金属有机框架（Nanoscale Metal-Organic Frameworks, NMOFs）作为21世纪新兴的多孔材料，因其结构可调、孔径大、比表面积高以及生物可降解性等优势，在药物负载与递送领域受到广泛关注。特别是卟啉类NMOFs，能够将光敏剂整合到周期性阵列中，有效避免了传统光动力治疗系统中光敏剂的自猝灭问题。
尽管已有研究分别探索了MOFs的药物递送功能和光动力治疗功能，但将化疗与光动力治疗相结合的研究仍然较少。基于此，本研究旨在构建一种DNA功能化的纳米PCN-224平台，以A549肺癌细胞的核酸适配体为靶向配体，实现肿瘤细胞的荧光示踪成像、pH响应性药物释放以及化疗与光动力治疗的协同治疗。
研究团队采用搅拌法，以5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉（TCPP）、苯甲酸、N,N-二甲基甲酰胺和生物相容性良好的Zr⁴⁺离子为原料，合成了纳米级PCN-224。透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）观察显示，所合成的PCN-224具有良好的单分散性，粒径分布约为198纳米。动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）测定结果显示其水合粒径约为230纳米，与TEM观察结果相符。粉末X射线衍射（PXRD）图谱证实了PCN-224的晶体结构稳定性。这些表征结果确保了纳米颗粒在后续细胞实验中的适用性，因为适当的粒径和形貌是药物负载和细胞摄取的关键前提。
研究者选择盐酸阿霉素（Doxorubicin, DOX）作为抗肿瘤药物模型，通过疏水相互作用和π-π堆积效应将其负载到PCN-224的孔道中。紫外-可见吸收光谱测定结果显示载药效率达到50微克/毫克。载药后，DOX@PCN-224的ζ电位从-26毫伏变为-20毫伏，这是由于DOX带有部分正电荷所致。随后，研究团队将A549肺癌细胞的核酸适配体通过配位键修饰到纳米颗粒表面。该适配体的两个末端分别修饰了羧基和荧光素（Fluorescein，即FAM），其中羧基与Zr⁶⁺离子形成配位键，而荧光素则用于后续的细胞荧光成像。DNA功能化后，DOX@PCN-224-DNA的ζ电位降至-47毫伏，紫外-可见吸收光谱测定也证实了DNA的成功修饰。PXRD分析进一步表明，在整个药物负载和DNA修饰过程中，PCN-224的骨架结构保持了良好的稳定性。
为了验证纳米平台的智能药物递送性能，研究人员在两种不同pH条件下考察了DOX@PCN-224的药物释放行为。在模拟正常生理环境的pH 7.4磷酸盐缓冲液（Phosphate-Buffered Saline, PBS）中，48小时内仅有约5%的DOX被释放，这确保了该纳米载体对正常组织的低毒副作用和高生物相容性。而在模拟肿瘤微酸性环境的pH 5.0条件下，DOX的释放速率显著加快，12小时内释放约30%，48小时内释放约45%，证实了该体系具有pH响应性的治疗潜力。这种酸性环境触发的药物释放机制为肿瘤靶向治疗提供了智能化的药物递送策略。
由于TCPP本身就是一种高效的光敏剂，因此PCN-224的光物理性质和光动力能力得到了系统研究。与游离TCPP相比，PCN-224的紫外-可见吸收光谱发生红移，这归因于Zr⁴⁺与TCPP配位后卟啉共轭面积的扩大。光稳定性实验表明PCN-224具有良好的抗光漂白能力。研究以9,10-蒽二基双(亚甲基)二丙二酸（ABDA）作为单线态氧探针，通过监测ABDA荧光强度的衰减来定量评估¹O₂的生成效率。实验结果显示，在437纳米波长光照射下，随着照射时间的延长，ABDA的荧光逐渐减弱直至猝灭，表明PCN-224具有高效的单线态氧生成能力，这为其光动力治疗应用提供了有力支撑。
研究采用CCK-8法评估了PCN-224的细胞毒性。实验选用A549（人肺癌细胞系）、MCF-7（人乳腺癌细胞系）两种癌细胞以及LO2正常细胞，在不同浓度的PCN-224处理12小时后，所有测试组的细胞存活率均超过90%，表明PCN-224具有良好的体外生物相容性。此外，小鼠血液常规检测结果也进一步支持了该载体材料的安全性。
为研究DOX@PCN-224-DNA对A549细胞的化疗和光动力治疗效果，研究设置了多个对照组，在650纳米激光（100毫瓦/平方厘米，照射15分钟）条件下进行。实验结果表明，单独激光照射时，A549和MCF-7细胞存活率分别为88%和87%；单独PCN-224加激光照射时，存活率分别为78%和82%；单独化疗（DOX@PCN-224）处理时，存活率分别为62%和60%；而化疗与光动力治疗联合处理时，存活率分别降至55%和58%，证实了两种治疗方式的协同增效作用。
当DOX@PCN-224被A549核酸适配体功能化后，其对靶细胞A549和非靶细胞MCF-7的治疗效果呈现出显著差异。在单一化疗条件下，A549细胞存活率为50%，而MCF-7为62%；在化疗与光动力治疗联合作用下，A549细胞存活率进一步降至30%，而MCF-7仍为45%。这一结果充分表明DOX@PCN-224-DNA对A549细胞具有显著的靶向化疗和靶向光动力治疗效应。
研究利用共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）进一步考察了DOX@PCN-224-DNA对肿瘤细胞的示踪行为。将DOX@PCN-224-DNA分别与A549和MCF-7细胞孵育3小时和6小时后进行成像分析。细胞核由DAPI染色呈现蓝色荧光，FAM修饰的核酸适配体呈现绿色荧光，而DOX呈现红色荧光。实验结果显示，孵育6小时后，A549细胞内可观察到明显的FAM绿色荧光和DOX红色荧光，且荧光信号随时间延长而增强；而MCF-7细胞内的荧光信号则显著较弱。值得注意的是，使用含单碱基错配的适配体修饰的DOX@PCN-224与A549细胞孵育后，荧光信号也明显减弱，进一步验证了正确序列适配体对A549细胞的特异性识别和靶向能力。这些结果直观地证实了DOX@PCN-224-DNA能够优先进入A549靶细胞，实现了癌细胞的靶向示踪成像。
本研究成功构建了一种基于DNA功能化纳米PCN-224的多功能纳米平台。通过将A549肺癌细胞核酸适配体修饰到卟啉基MOF表面，实现了对癌细胞的精准识别与靶向。该平台集成了三大功能：其一，利用适配体上修饰的荧光素和负载的DOX自身荧光，实现了肿瘤细胞的双色荧光示踪成像；其二，利用肿瘤微环境的酸性条件触发了DOX的响应性释放，实现了靶向化疗；其三，利用PCN-224骨架中TCPP的光敏特性，在光照下产生活性氧，实现了光动力治疗。化疗与光动力治疗的协同作用使A549细胞存活率显著降低至30%，充分展现了该平台的协同治疗优势。
本研究的科学价值在于：首次实现了核酸适配体功能化PCN-224的构建，将靶向识别、药物递送和光动力治疗有机整合于单一纳米平台，为基于金属有机框架的靶向治疗和生物传感研究开辟了新途径。其应用价值在于：这种简便、高效的核酸适配体功能化策略为开发个性化的肿瘤靶向治疗系统提供了新的设计思路和实验依据。
本研究的主要亮点可归纳为以下三个方面：首先，在方法学上，采用简便的后修饰策略，利用配位键将末端修饰羧基的核酸适配体连接到PCN-224表面，实现了DNA对MOF的稳定功能化，方法简洁高效；其次，在功能整合上，成功将荧光成像、pH响应性药物释放和光动力治疗三重功能集于一体，实现了诊疗一体化；第三，在靶向策略上，利用核酸适配体对特定肿瘤细胞表面蛋白的高亲和力和高特异性，实现了从细胞层面的精准识别到靶向杀伤的完整链条，为后续体内靶向治疗研究奠定了坚实基础。