DNA折纸术“智取”耐药癌细胞

 目前，俄亥俄州立大学的研究人员正在研究一种新的方法治疗耐药性肿瘤，他们用DNA折纸（DNA Origami）技术，将一种常见的癌症药物“偷运”至耐药性的癌细胞中，这有点像希腊神话中的特洛伊木马。

 

在实验室测试中，当药物被隐藏在一个由折叠DNA构成的胶囊中时，耐药性的白血病细胞吸收该胶囊之后死亡。

 

此前，其他研究小组也使用相同的封装技术——DNA折纸，来对抗实体肿瘤的耐药性。这是第一次有研究表明，同样的技术也对耐药性白血病细胞起作用。

 

研究人员已经开始在小鼠体内检测这种胶囊，并希望在几年内转移到人类肿瘤实验中。他们早期的研究结果发表在国际知名期刊《Small》。

 

这项研究涉及一种急性髓系白血病（AML）的临床前模型，该模型已经对药物柔红霉素发展出了耐药性。具体来说，当柔红霉素分子进入AML细胞时，细胞能够识别它们，并通过细胞壁上的开口泵出它们。这是一种耐药机制，本研究共同作者、俄亥俄州立大学Wexner医疗中心的John Byrd将其比作从地下汲水的“排水泵”。

 

他和机械工程学助理教授Carlos Castro，带领了一项合作研究，主要关注的是，将柔红霉素隐藏在一种木马分子中，可以绕过这一“排水泵”，这样它们就无法将这些药物从细胞泵出。

 

血液科主任、内科教授Byrd指出：“癌细胞有新的耐药途径，就像这些“排水泵”一样，封装药物的这种方式的令人兴奋之处在于，我们可以避开这些防御，从而使药物在肿瘤细胞中积累，导致它死亡。我们也有可能调整这些结构，使它们有选择性地将药物传递至癌细胞，而不是身体的其他部位——这可能导致副作用。”

 

纳米工程和生物设计实验室主任Castro指出：“DNA折纸纳米结构具有许多药物输送的潜力，不仅可用于制备有效的药物载体，还可以使我们用新方法研究药物传递。例如，我们可以非常精确地改变结构的形状或机械刚度，以探究其如何影响细胞进入。”

 

在试验中，研究人员发现，以前对柔红霉素有耐药性的AML细胞，可有效地吸收药物分子——当它们隐藏在细小的棒状胶囊中（由DNA构成）。在显微镜下，研究人员在有荧光标记的细胞内跟踪了胶囊。

 

每一个胶囊大约有15纳米宽和100纳米长——比其要渗透的肿瘤细胞要小大约100倍。具有四个中空的、开放式的内部隔室，它看起来不像人们吞服的药丸，更像一个细长的烧渣块。

 

博士后研究员Christopher Lucas说：“该设计最大限度地提高了携带药物的可用表面积。柔红霉素起作用的方式是，它藏进癌细胞的DNA中，并阻止其进行复制。所以我们设计了一个胶囊结构，它有很多可访问的DNA碱基对，以使其藏入。当胶囊破裂时，药物分子被释放，涌进细胞。”

 

Castro团队设计的胶囊是强大而稳定的，因此，它们不会完全瓦解和释放大量的药物，等到细胞吐出它们时，已经为时已晚。

 

这就是他们用荧光显微镜观察到的——细胞将胶囊拉入通常要消化的细胞器。当胶囊破裂时，药物会淹没细胞，使它们崩解。大多数细胞在消耗胶囊的第一个15小时内死亡。

 

这项工作是Castro实验室的工程师们，将他们已经建立的DNA折纸结构，第一次应用于医学所获得的一项成果。

 

虽然DNA常被称为生命的“构建模块”，但今天的工程师使用天然和合成的DNA，作为字面构建模块用于机械装置。在此之前，俄亥俄州立大学的工程师制备了微小的DNA铰链和活塞。

 

正如Castro指出的那样，DNA是一种聚合物——尽管是一种天然存在的聚合物，他和他的同事们通过利用构成聚合物链的碱基之间的物理相互作用，将其塑造成微小的设备、工具或容器。他们用DNA序列构建了链，这些序列在一定程度上自然地吸引和相互约束，从而使长的聚合物自动折叠，或“自组装”成为有用的形状。

 

在这种DNA特洛伊木马的情况中，研究人员使用一种常见噬菌体（一种感染细菌的病毒）的基因组，合成的链目的是把噬菌体DNA折叠起来。工程专业研究生Patrick Halley解释说，虽然折叠形状执行一种功能，但DNA本身并不发挥作用。Halley说：“当你向人们介绍这项技术时，最难理解的事情就是，除了保持一个形状之外，这个DNA胶囊不做任何事。它只是一种静态的、刚性的结构，可承载东西。它不编码任何蛋白质，或做其他我们通常认为DNA会做的事情。”

 

Castro说，与DNA折纸术制造的想法一致，他希望为制备这种胶囊，创造一个精简和经济上可行的过程，作为一种模块化药物输送系统的一部分。

 

Byrd说，如果进一步的工作表明，该技术可以有效地转化到动物模型上，它可能对几乎任何形式的耐药肿瘤起作用，但他并未建议是否对细菌等病原体起作用，因为它们的耐药机制可能不同。

 

肿瘤耐药性是癌症研究的一个热门问题，2015年11月，来自弗吉尼亚理工大学Carilion研究所的科学家和Carilion诊所的临床医生，发现了如何使耐药的人胶质母细胞瘤细胞再次对化疗变得敏感。他们的这项研究结果发表在美国癌症研究协会科学杂志《Cancer Research》。2015年3月，在Cell子刊《Cancer Cell》发表的两篇论文，探讨了基底细胞癌耐药性的机制。