负载姜黄素和抗miRNA的DNA纳米材料可抑制细胞增殖：一项生物物理和细胞学研究

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：DNA nanomaterials loaded with curcumin and antimiRNA inhibits cell proliferation: A biophysical and cellular study

【字体：大中小】 时间：2026年03月29日 来源：Journal of Drug Delivery Science and Technology 4.9

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　　姜黄素负载DNA纳米材料通过静电作用增强药物递送效果，降低细胞增殖并抑制肿瘤活性。

阿维谢克·卡尔（Avishek Kar）| 卡贾尔·桑达拉伊（Kajal Sundaray）| 巴巴尼·S·杰纳（Bhabani S. Jena）| 乌马坎塔·苏布迪（Umakanta Subudhi）

印度奥里萨邦布巴内斯瓦尔（Bhubaneswar）751013，CSIR-矿物与材料技术研究所（CSIR-Institute of Minerals and Materials Technology）环境与可持续发展部门，DNA纳米材料与应用实验室

摘要

姜黄素（Curcumin，简称Cur）是一类从姜黄（Zingiberaceae科）中提取的黄酮类化合物，具有多种生物活性，包括抗菌、抗炎、抗氧化和抗癌作用。由于姜黄素在水溶剂中的溶解度较低且细胞渗透性较差，因此需要一种新的药物递送策略来增强其治疗效果。在本研究中，我们合成了分支DNA（bDNA）和四面体DNA（tDNA）纳米材料，并将其与抗miRNA结合，通过静电相互作用促进药物递送。结果显示，结合了姜黄素的DNA纳米结构在吸光度上表现出减色效应，并且荧光强度增强。染料置换实验表明姜黄素能够替代DAPI、Hoechst和溴化乙锭（Ethidium bromide）与DNA纳米结构结合。此外，CD光谱分析显示姜黄素存在时DNA纳米结构的构象未发生改变。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步证实了姜黄素与DNA纳米结构之间的化学键合。实验还发现，姜黄素-抗miRNA-DNA复合物显著降低了细胞增殖活性，这证实了这种纳米材料具有更强的肿瘤抑制效果。姜黄素能够自发地并与bDNA和tDNA纳米结构发生结合，其结合强度受结构的影响。这些发现可为设计含有多种抗miRNA的DNA纳米结构提供依据，从而协同下调多种致癌miRNA，应用于癌症治疗。

引言

姜黄素（Cur）是一种天然多酚类化合物，从印度Curcuma longa植物的根茎中提取，具有抗炎、抗菌、抗氧化、抗风湿、抗凝血和抗癌等多种生物活性[1]、[2]。值得注意的是，姜黄素的作用时间较长，且急性或慢性毒性较低[1]。研究表明，姜黄素对多种癌症（如乳腺癌、结肠癌、黑色素瘤、白血病、鳞状细胞癌、胰腺癌、前列腺癌和卵巢癌）具有诱导细胞凋亡的作用[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在癌症发生的早期阶段，姜黄素在抗氧化和清除自由基方面发挥关键作用[4]。在印度，由于饮食中富含姜黄素，结肠癌的发病率较低[6]。此外，与其他抗癌药物相比，姜黄素的用量要少得多[9]。

微小RNA（miRNA）是一类由19-22个核苷酸组成的单链非编码RNA，能够调节多种mRNA的表达，从而抑制基因转录后过程[10]。大量研究表明，某些miRNA可作为致癌基因，其存在对肿瘤的发生和发展至关重要[11]。在多种癌症（如乳腺癌）中观察到miR-21等致癌miRNA的水平升高，导致肿瘤抑制基因（如pTEN、TPM1、SOCS1和PDCD4）的表达下降[12]、[13]。因此，需要抗miRNA来中和这些致癌miRNA，从而上调肿瘤抑制基因，而抗miRNA寡核苷酸（AMOs）是重要的治疗手段[14]。尽管使用AMOs靶向单一miRNA可以有效抑制其活性，但由于多个miRNA对同一转录本的协同作用，miRNA介导的调控机制具有复杂性。

姜黄素已被证明能下调致癌miR-21，这是其抗癌作用的重要机制之一[13]、[16]。此外，姜黄素在骨质疏松症骨再生和多种癌症治疗中也具有重要作用[17]、[18]、[19]。先前的研究显示，姜黄素的抗氧化作用源于其能够增加血红素加氧酶-1（HO-1）和核因子E2相关因子2（Nrf2）的表达，从而清除活性氧（ROS）[20]。姜黄素还通过抑制NF-κB的激活及其引发的NLRP3炎性小体的激活来发挥抗肿瘤和抗炎作用[21]。因此，姜黄素成为治疗多种疾病的潜在药物。然而，姜黄素在水溶剂中的溶解度低，在碱性条件下易降解，吸收缓慢且具有疏水性，这些因素严重限制了其临床应用[22]。因此，使用纳米载体不仅可以克服化疗药物的吸收限制，还能提高抗miRNA在细胞内的摄取效率[23]、[24]。

纳米材料技术在药物递送方面具有显著优势，对疾病管理至关重要。近年来，DNA纳米结构因尺寸明确、生物相容性好、载药能力强而受到研究人员的广泛关注，已被应用于癌症治疗、组织修复和生物医学工程等多个领域[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。研究人员正积极探索设计具有特定长度、形状和序列的DNA纳米结构，以实现特定的物理和生物功能[32]、[33]。自组装DNA纳米结构（如分支DNA（bDNA）和四面体DNA（tDNA）具有结构稳定性、刚性，并能通过静电力或结构凹槽与siRNA、抗miRNA、适配体和小肽等分子结合[28]、[30]、[34]、[35]。精确设计的DNA纳米结构能够沉默外排泵（如p-糖蛋白），实现目标mRNA的原位成像，从而将诊断能力与基因治疗相结合[36]。已有研究表明，含有抗miRNA的bDNA纳米结构能有效调节乳腺癌细胞系的基因表达[37]、[38]、[39]。多功能四面体DNA纳米结构可作为化疗药物、诊断成像和基因治疗的纳米载体[40]、[41]。

因此，将化疗药物装载到与抗miRNA结合的DNA纳米载体中，可以为协同化疗和基因治疗提供有力支持，实现精准靶向治疗癌症。然而，目前仅有关于使用四面体DNA框架递送姜黄素治疗骨质疏松症的报道[42]。同时将化疗药物和抗miRNA装载到DNA纳米结构中的研究尚未开展。需要注意的是，在DNA纳米结构-药物复合物中，相互作用对药物结合、释放和细胞毒性具有重要影响[25]、[43]。基于此，我们假设将抗miRNA-Cur复合物递送到细胞中可同时上调肿瘤抑制蛋白并抑制细胞增殖。本研究探讨了使用DNA纳米结构递送抗miR-21/Cur复合物的效果，发现复合物显著降低了细胞增殖活性，证实了其肿瘤抑制作用。这些发现可为设计含有多种抗miRNA的DNA纳米结构提供依据，用于协同下调多种致癌miRNA，从而用于癌症治疗。

试剂的化学性质和制备

表S1中列出的所有寡核苷酸均从Integrated DNA Technology (IDT)购买，随后用MilliQ水重新配制至最终浓度100 μM。工作溶液的浓度通过稀释100 μM的储备溶液制备为1 μM。自组装过程使用含有Tris碱（40 mM，pH 8.0）、乙酸（20 mM）、EDTA（2 mM）和乙酸镁（Mg(Ac)?（12.5 mM）的TAEM缓冲液进行。姜黄素溶解在DMSO、TAE缓冲液和10%的Native PAGE中

DNA纳米结构的自组装与表征

bDNA和tDNA纳米结构是在1xTAEM缓冲液中利用四种单链寡核苷酸自组装而成的。制备了四种不同类型的DNA纳米结构，分别为bDNAscramble、bDNAantimiR和tDNAscramble及tDNAantimiR。bDNAscramble和tDNAscramble含有四种随机序列的突出端，而bDNAantimiR和tDNAantimiR含有抗miR-21序列的突出端

结论

本研究结果表明，自组装的DNA纳米结构能与化疗药物姜黄素相互作用，用于基因治疗。成功合成了多种含有抗miRNA的DNA纳米结构，并证实了它们能与姜黄素结合。此外，实验观察到明显的减色效应，表明姜黄素与DNA纳米结构之间存在分子相互作用。荧光染料置换实验进一步表明姜黄素可以取代次要沟槽结合剂和插入剂。

作者贡献声明

阿维谢克·卡尔（Avishek Kar）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。卡贾尔·桑达拉伊（Kajal Sundaray）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。巴巴尼·杰纳（Bhabani Jena）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验实施、概念构建。乌马坎塔·苏布迪（Umakanta Subudhi）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学设计