纳米颗粒可以容纳多种类型的治疗剂和显像剂，用于疾病的治疗和诊断。然而，控制分子在纳米颗粒中的存储是具有挑战性的，因为非特异性分子间相互作用被用于封装。最近，多伦多大学陈志和教授团队使用特定的DNA相互作用将分子存储在纳米颗粒中。制作了包含DNA锚的纳米颗粒，以捕获与DNA结合的小分子。通过改变DNA锚的序列和化学计量，可以控制纳米粒子中具有不同化学性质的分子的数量和比例。通过改变胶囊化药物（美登素和阿霉素）的比例来改变纳米颗粒对癌细胞的细胞毒性。刊发相关题为DNA-ControlledEncapsulationofSmallMoleculesinProteinNanoparticles的论文在10月《J.Am.Chem.Soc.》上。

首先制造了在其核心中具有单链DNA锚的纳米颗粒。核酸通常会与阳离子大分子（例如聚乙烯亚胺）复合，以利于掺入纳米颗粒中，但这可能会干扰它们与分子结合的碱基配对。设计了使用牺牲模板将DNA整合到纳米颗粒中的另一种策略（方案1）。模板法用于制备对分子15kDa而言可渗透的聚合物和蛋白质胶囊。从50nm金纳米颗粒（GNP）作为模板开始。首先，使用金硫化学方法将具有5二硫键的25个碱基的DNA链连接到GNP。其次，通过用生物素部分设计DNA的3端以指导链霉亲和素的结合，用另一个大分子包围DNA层来封装和保护DNA层。高结合亲和力链霉亲和素与生物素相互作用的过程促进了外部蛋白质层的组装。作者用生物素化的聚乙二醇（PEG，5kDa）对GNP进行了回填，以使抗生蛋白链菌素无法插入DNA之间，从而可能阻碍货物结合。PEG没有改变DNA密度。第三和第四，我们使用磺基-（N-羟基琥珀酰亚胺）-（PEG）4-二嗪使蛋白质交联，并用KI/I2溶解GNP。该纳米粒子通过交联的蛋白质结合在一起，而不是像以前报道的DNA纳米结构那样与DNA相互作用。在每个步骤之后，作者使用动态光散射（DLS）和紫外可见光谱（UV-vis）光谱测量了GNP的特性。没有看到团聚。得到的蛋白质纳米颗粒（PNP）被单分散（nm，PDI0.11）。

示意图1.用DNA合成蛋白质纳米颗粒P（PNP）：（1）将生物素化的DNA链连接到GNP，（2）链霉亲和素绑定到DNA，（3）蛋白质交联，（4）溶解的GNP。

使用透射电子显微镜（TEM）检查了PNP形态（步骤4的产品）。电子致密模板GNP表现为直径为47±5nm的均匀黑眼圈（图1a）。的PNP出现作为与来自乙酸双氧铀负染色遮光圆形形状（图1b）。干燥的PNP的直径为75±16nm。由于DNA和链霉亲和素在模板顶部的总长度，它们比GNP大约大25nm（图1c）。改变模板直径会导致TEM和流体力学直径发生相应变化（图1d–l）。这些结果表明，PNP是从GNP模板化的。

图1.50、30、80和nmGNP（a，d，g，j），所得PNP（b，e，h，k）的TEM图像，以及GNP（红色）和PNP（青色）的尺寸分布）（c，f，i，l）。虚线表示平均直径。显示了直径变化。比例尺nm。

作者设计了三个具有与单个荧光团互补的DNA的PNP。第四个设计是非互补的。每个设计用等摩尔过量的三个荧光团的（孵育过夜图2）。用kDaAmicon离心滤器去除多余的荧光团后，测量了纳米颗粒的荧光。的PNP为3至6倍的亮度比背景只有它们的互补的荧光团（图2b）。该非互补设计不是荧光的，这表明荧光团与PNP的低非特异性结合（图2b）。该结果表明分子仅通过特定的碱基配对相互作用被存储。

图2.PNP仅存储互补的荧光团。（a）将用四个不同DNA设计的PNP与三个荧光团的等摩尔混合物孵育。（b）PNP的荧光。误差棒代表三个重复的标准偏差。使用Holm-Sidak方法计算的P值（a=0.05）。

一旦确定小分子专门存储在PNP中，就可以测试是否可以使用多个DNA序列控制多个存储分子的化学计量。模板GNP上的DNA的化学计量转换成相应PNP中的DNA的化学计量（图3a）。作者用具有两个DNA序列的模板制作了PNP（31）以1：3和1：1的摩尔比混合，并与过量的Cy5和AlexaFluor（AF）等摩尔混合物孵育。Cy5和AF与单个DNA序列互补。预期一种设计以捕获一个Cy5至三个AF（图3b）。在纳米颗粒中的荧光团的比例匹配的DNA的锚的化学计量（图3b）。结果表明，被包裹的荧光团的化学计量是由DNA化学计量控制的，而不是由分子特性控制的。

图3.存储的荧光团的化学计量受PNP中的DNA锚点控制。（a）将GNP与不同比例的DNA偶联。将PNP与等摩尔过量的荧光团一起孵育。（b）Cy5，Cy3和AF的比率与其预期比率。误差棒代表三个重复的标准偏差。

随后，作者存储了疏水性Mertansine（微管蛋白抑制剂）和亲水性阿霉素（一种拓扑异构酶II抑制剂）在PNP中。拓扑异构酶和微管蛋白抑制剂的组合用于癌症治疗。制成的PNP带有1：5、1：2、1：1、2：1和5：1的硫丹与阿霉素的比例，同时保持总药物浓度恒定。将HeLa细胞与PNP一起孵育后，他们发现将1：1的丹参碱与阿霉素结合的PNP具有最高的细胞毒性，并杀死了约78％的细胞。它们比2：1和5：1的PNP有效得多（图4）。结果表明，可以通过控制PNP的组成来工程化，改变和优化PNP的细胞毒性。

图4.与含有1：5、1：2、1：1、2：1和5：1比例的硫丹和阿霉素（紫色）和剂量匹配的游离药物（青绿色）一起孵育的HeLa细胞活力。免费药物是指将药物直接添加到媒体中。

总之，作者用PNP中特定的碱基配对相互作用取代了纳米颗粒中心分子与载体材料之间复杂且非特异性的相互作用。这使得能够在纳米颗粒内控制具有不同化学性质（例如，疏水性）的分子的存储，所述分子不能使用PLGA纳米颗粒或脂质体被动地封装。根据经验确定了一种最佳的PNP设计，该设计可用于结合疏水性巯基氨酸和亲水性阿霉素来杀死HeLa细胞。PNP是筛选和开发组合药物和诊断纳米颗粒的理想选择。它们是模块化的，可以制成不同的负载和尺寸。合成设计可轻松生成具有不同负载的纳米颗粒库，以进行功能测试。最终，精确控制如何封装多种类型的分子可以精确控制组合药物和成像纳米颗粒的特性。

参考文献：

doi.org/10./jacs.0c

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