《JACS》：基于DNA的膜蛋白动态模拟用于编程适应性细胞相互作用在多细胞生物中，细胞相互交流以响应其微环境的变化,这种能力构成了多细胞生物的生命基础。越来越多的证据表明，这些细胞相互作用主要是通过膜蛋白的动态和特异性调节来协调的。例如当肿瘤细胞在肿瘤微环境中感受到特异性促炎细胞因子(如IFNγ和IL-1a)时，PD-L1可以在膜上快速上调，从而通过PD-L1/PD1结合对T细胞免疫产生抑制作用。为了开发用于生物模拟和操作的智能架构，具有高度可编程性、良好生物相容性和可预测结构的DNA是最有前途的材料之一，然而目前的一些简化模型缺乏细胞的自适应性，无法与细胞生理过程相联系，在代表活细胞系统时有不可避免的局限性。
在本研究中，中国科学院肿瘤与基础医学研究所谭蔚泓院士、湖南大学邱丽萍教授等设计了一种细胞表面纳米结构，实现了分子识别引发的DNA组装以模拟膜蛋白的动态行为，从而能够操纵细胞相互作用以响应环境变化。这种膜锚定的DNA纳米结构可以被细胞对外部刺激的响应信号特异性激活。因此，可以将多个功能模块组装到膜上，以使细胞具有细胞类型特异性结合和杀伤。该系统有望提供一种新的范式，用于设计具有定制的传感/响应通路的治疗细胞。相关工作以“DNA-Based Dynamic Mimicry of Membrane Proteins for Programming Adaptive Cellular Interactions”于近期发表在Journal of the American Chemical Society上。
文章亮点：
1.实验室成功合成了具有三个疏水顶点的脱氧核糖核酸四面体(称为T-cho3)，并证明了它们在细胞表面工程中的优异性能。通过使用T-cho3作为支架，动态脱氧核糖核酸纳米结构可以有效和稳定地锚定在活细胞膜上。
T-cho3的形成及细胞膜修饰示意图
2.当暴露于外部刺激时，细胞会启动一系列细胞内程序产生调节反馈，这些分泌的信号分子可以通过链置换反应激活膜锚定纳米结构，通过杂交链式反应(HCR)使功能核酸在细胞表面的串联自组装。通过这种方式，可以结合多个功能模块来调节细胞和外部环境之间的相互作用。具有多价效应的膜锚定HCR构建体不仅能提高细胞聚集效率，而且能促进高阶细胞团的形成。并且工程细胞还可以识别和结合目标细胞，产生特定的杀伤效果。
动态纳米结构介导的细胞间相互作用示意图
癌症是世界上最严重的疾病，每年夺去数百万人的生命。癌症患者的生存与肿瘤诊断期密切相关，因此在癌症的早期阶段，从细胞水平诊断癌症对提高癌症患者的生存率具有重要意义。分子成像技术在癌症的检测和治疗中发挥着越来越重要的作用。在众多的分子成像方法中，荧光生物成像的优势是几百纳米的高空间分辨率。因此，它被广泛用于细胞和组织的生物医学成像。Terai等曾说到关于有机小分子的荧光探针已经成为现代生物学中不可或缺的工具。
传统的荧光成像是用单光子激发的，当用高能光激发时，会发出低能荧光。然而，由于长时间暴露在紫外线或短波长光下，它会导致DNA损伤和细胞死亡。它还受到来自生物组织的显著自荧光的限制，引起背景信号干扰，以及受激光的短波长在生物体中的穿透深度短。多色光致发光材料由于其在发光二极管、传感、全色显示、生物成像、光电子学等方面的潜在应用而长期受到科学家的关注。与单色荧光成像相比，多色荧光成像可以提供多通道信息，更有利于多组分复杂样品分析中的生物成像。
鉴于此，湖南大学谭蔚泓院士等首次报道了一种制备用于单激发多重成像和靶向给药的双光子介孔二氧化硅纳米粒子的简易方法，创造性设计并制备了基于FRET的双光子介孔二氧化硅纳米粒子(MTP-MSNs)，用于单激发多路细胞内成像和靶向癌症治疗。该研究以“Multicolor Two-photon Nanosystem for Multiplexed Intracellular Imaging and Targeted Cancer Therapy” 于近期发表在Angewandte?Chemie?International?Edition上，该材料具有良好的生物相容性、特异性细胞摄取和高效的细胞内药物释放等优点，为体内控释药物的生物医学应用提供了基础。
文章亮点：
1、这个纳米系统包括两个组成部分，即多色双光子介孔二氧化硅纳米粒子和癌细胞靶向适配体。在与癌细胞孵育后，装载Dox和核酸适体覆盖的MTP-MSNs可以内化到细胞中，打开孔并释放药物。此外，利用双光子多色荧光可作为多色双光子细胞内成像的良好造影剂，增加成像深度并改善组织的空间定位。
2、通过改变三种染料在介孔二氧化硅纳米粒子中的掺杂比例，纳米粒子在单个近红外波长激发下呈现双光子多色荧光。它们分布均匀，荧光强度高，光稳定性好。荧光发射光谱可以通过优化纳米粒子中染料的数量来调节，这一特性将克服许多有机染料斯托克斯位移小的缺点，使多色荧光纳米材料能够在具有内源荧光的生物样品中观察到。
可见光下不同染料掺杂组合的MTP-MSN样品
3、在介孔MTP-MSN纳米粒子上使用适配体作为孔封闭剂提供了设计递送纳米载体的有效工具，该递送纳米载体能够响应特定肿瘤细胞选择性地释放负载的药物由于核酸适体连接诱导核仁素受体在靶肿瘤细胞上的特异性结合和摄取。结果表明，适配体包被的MTP-MSNs@DOX，显著降低了DOX对正常细胞的副作用，增加了肿瘤细胞的损伤。
细胞活性测定
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