超声触发的可变形DNA纳米药物能够改善药物递送过程，从而提升抗肿瘤疗效

《Nano Today》：Ultrasound-triggered transformable DNA nanomedicine improves cascade delivery for enhanced antitumor efficacy

钙离子-聚组氨酸DNA纳米载体通过协同超声与pH响应实现形态转换及靶向递送，增强肿瘤细胞凋亡与焦亡效应。

　　

杜玲|舒多霍|单江贵|唐国清|韩永明|陈晓静|谢月霞|赵雪|邹汉冰|赵佩佩|顾斌|关云堂|刘佩峰

中国上海交通大学医学院仁济医院上海癌症研究所癌症系统医学国家重点实验室，上海200032

摘要

传统的纳米载体具有固定的物理化学性质，难以同时满足肿瘤组织靶向、细胞摄取和细胞器特异性递送的相互矛盾的需求。为了解决这一限制，我们开发了一种智能纳米药物Ca-pHis-DNA，通过聚组氨酸（pHis）修饰的DNA与钙离子（Ca2?）的协同驱动自组装实现。在超声（US）照射下，Ca-pHis-DNA会从球形纳米颗粒转变为延长的纤维状结构。此外，在酸性的肿瘤微环境（TME）中，组氨酸残基的质子化会使其表面电荷变为正电荷，进一步促进细胞内化及进入内体/溶酶体。这些刺激的协同作用延长了药物在肿瘤中的滞留时间，增强了细胞摄取，并促进了内体逃逸，实现了线粒体靶向，从而实现了级联药物递送。此外，超声刺激还会诱导钙超载和活性氧（ROS）的产生，进一步增强治疗效果。这种双pH/US响应性的可变形纳米药物为实体瘤治疗提供了一种高效且安全的策略。

引言

纳米颗粒作为药物载体，在医学应用中展现出巨大潜力，因为它们毒性低[1]、递送效率高[3]、循环半衰期长[4]、能够更好地穿透和滞留在肿瘤中[6][7][8]。然而，肿瘤及其微环境的高度异质性和复杂性[9][10]，加上众多的生物学屏障[11]，严重限制了纳米递送系统的有效性[12][13]，导致治疗效果不佳。主要挑战包括非特异性的生物分布、血液动力学和血管流动障碍，以及无法有效渗透到深层肿瘤区域[14][15]。此外，传统纳米载体的物理化学性质是固定的，包括大小、表面电荷和配体暴露状态等，这限制了它们适应不同药物递送阶段的需求[16]。

为了提高递送效率，响应刺激的纳米颗粒递送策略取得了显著进展。这些策略利用内源性刺激（如酸性肿瘤微环境[17]、高水平的谷胱甘肽[18]、过表达的酶[19]或活性氧[20]）或外源性刺激（如光[21][22]、辐射[23][24]、超声[25]或磁场[26]）来触发纳米颗粒结构（大小、形状）或物理化学性质（电荷、可变形性、配体暴露状态）的可控变化[27]，从而提高递送能力和治疗效果。然而，内源性刺激可能会由于在非病变组织中也存在类似的刺激而导致药物的非目标释放，增加脱靶效应和不良反应的风险[28]。另一方面，外源性刺激的组织穿透深度有限，限制了其实际应用[29]。此外，单一刺激响应策略往往无法同时满足多种递送需求[30]。

在这项研究中，我们设计了一种可变形的纳米药物载体Ca-pHis-DNA，它对超声和pH都有响应性，能够实现级联药物递送和精确的时空控制。该系统通过聚组氨酸（pHis）修饰的DNA（pHis-DNA）与钙离子的协同驱动自组装制备而成。在生理pH值下，组氨酸成分基本保持电中性，从而减少了非特异性细胞摄取。而在酸性的肿瘤微环境中，咪唑基团的质子化使其表面电荷变为正电荷，显著提高了细胞内化效果[31][32][33]。此外，超声照射不仅降低了肿瘤内的间质压力，促进了纳米药物的深入渗透和积累，还通过对细胞膜施加振荡力，暂时增强了膜的通透性，从而改善了药物摄取[34][35][36]。

更值得注意的是，超声刺激还会诱导Ca-pHis-DNA的结构转变，使其从球形纳米颗粒转变为延长的纤维状结构。这种形态变化与组氨酸的pH依赖性膜破坏作用协同作用，显著延长了药物在肿瘤中的滞留时间，增强了细胞内化，促进了内体逃逸，并实现了精确的线粒体靶向。最终，该系统通过增加钙超载和ROS的产生，导致肿瘤细胞凋亡和焦亡（图1）。

部分内容摘录

Ca-pHis-DNA的制备与表征

首先，通过将pHis化学偶联到硫醇修饰的寡核苷酸（DNA¹、DNA²、DNA³和DNA⁴，这些寡核苷酸具有不同的熔点（T?），制备了pHis-DNA。该反应成功生成了四种pHis-DNA衍生物（pHis-DNA¹、pHis-DNA²、pHis-DNA³和pHis-DNA⁴）（图S1）。通过质谱法初步确认了目标衍生物的形成（图S2），傅里叶变换红外（FTIR）光谱提供了共价连接的关键证据（图S3）。

结论

本研究成功开发了一种pH/US双响应性的Ca-pHis-DNA可变形纳米药物系统，该系统通过pHis修饰的DNA与Ca2?之间的协同作用自组装而成。该系统利用了双重刺激激活机制的协同效应。在弱酸性的肿瘤微环境中，pHis中的咪唑基团质子化使其表面电荷变为正电荷，显著提高了细胞内化效果，并促进了药物进入内体/溶酶体。同时，

CRediT作者贡献声明

杜玲：撰写原始稿件、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。舒多霍：数据可视化、方法设计、实验研究。单江贵：实验研究、方法设计、数据可视化。唐国清：实验研究、方法设计、数据可视化。韩永明：数据可视化、方法设计。陈晓静：数据分析、数据管理。谢月霞：数据分析、资金获取。赵雪：数据分析。

伦理声明

所有相关的动物实验均获得了仁济医院伦理委员会的批准（批准编号：RJ2023–062A）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32371468、82373205）、上海市自然科学基金（23ZR1461400）、上海交通大学医工联合基金（YG2023ZD07）以及上海市卫生健康委员会基金（2022JC002）的支持。