DNA-有機分子雜化體的合成及應用研究

摘 ?????要：隨著DNA化學修飾技術的發展，疏水分子和DNA通過固相反應合成了兩親性DNA有機雜化物，兩親性有機雜化物可以被視為新的構建塊，然后在溶液中自發組裝成各種納米結構，組裝體在藥物輸送、靶向遞送及生物傳感等領域有著重要的應用。論述了DNA-有機分子雜化體的組裝、合成方法以及在生物醫藥方面的研究進展。

關 ?鍵 ?詞：DNA；有機分子；合成；組裝體；應用

中圖分類號：O641.3 ?????文獻標識碼： A ????文章編號： 1004-0935（2024）05-0768-04

隨著脫氧核糖核酸（DNA）納米技術的發展，人們已經構建了各種各樣的DNA納米結構和DNA器件，它們在材料科學和生物醫學方面具有潛在的應用前景。利用DNA的可編程性和生物相容性，利用疏水有機分子對DNA進行化學功能化的新型構件越來越受到人們的關注。在兩親性的驅動下，DNA-有機分子兩親性被證明具有自組裝或進一步誘導的層次組裝，提供了新的特異性。

疏水小分子，由于其分子尺寸很小、共價修飾DNA后，由于兩親性不足以支持進一步組裝，因此小分子共價DNA的組裝發展比較遲緩^[1][1]。近些年來，科研工作者們通過官能團衍生適當增加疏水分子的拓撲結構或通過拓展芳香環增強π-π堆積作用等方法提升疏水比例^[2][2]，實現了DNA-有機小分子在水溶液中組裝出多種形貌、功能優異的納米結構。膽固醇結合的DNA鏈（膽固醇-DNA）通常用作檢測和動態運動過程中的錨^[3-4][3，4]。據報道，具有可變修飾的膽固醇-DNA可以形成膠束結構。ZHANG^[5]等指出人^[5]具有特定序列的膽固醇DNA也可以在酸性條件下形成球形膠束和納米棒。

核酸-聚合物兩親體（NAPAs）是一類生物偶聯物，由共價連接到疏水聚合物上的核酸鏈組成。這些大分子在水溶液中進行自組裝，產生形態和功能上有趣的納米結構，具有高密度核酸冠和聚合物核。2015年，劉冬生課題組報道了帶有親水剛性段、兩端帶有疏水性軟段的DNA三嵌段共聚物PPO- dsDNA-PPO，并研究了它們的自組裝行為^[6]。^[6]制備的組件可以作為智能藥物遞送的絕佳平臺，因為其具有高效的DNA、RNA和疏水性小分子藥物裝載能力。

一類具有獨特結構、分散單一的樹狀大分子與DNA結合，將得到一類新的超分子構筑單元DNA-樹狀分子嵌段共聚物，其組裝體在生物傳感器^[7]、藥物遞送^[8]和其他相關領域具有潛在的應用。2023年，趙智勇課題組^[9]設計并合成了G-quadruplex與樹狀大分子雜交（G20-Den）和單鏈DNA與樹狀大分子雜交（D20-Den）作為對照。G20-Den雜交可以形成緊湊的G-四倍體結構，這意味著二級結構不受有機分子的影響。由于強π-π堆疊和疏水相互作用，G20-Den和D20-Den在MES緩沖液中都自組裝成長度為幾微米的納米纖維。G20-Den納米纖維通過簡單的超濾具有可回收性的優點，并且在3次循環后仍能保持其催化性能。這項研究為制備具有高催化效率的多酶提供了一種新的策略^[10]，也為 DNA催化劑用于綠色化學目的的再利用提供了潛在的應用。

1 ?DNA-有機分子雜化體的合成

合成DNA-有機分子雜化體常用的方法有液相合成和固相合成，溶液偶聯適合用于親水分子的偶聯，對于一些疏水分子的偶聯，反應溶劑一般為混合溶劑，但由于溶劑不相溶而導致合成效率并不高。固相合成是在有機溶劑中固體載體上表現出的反應。此外，還有最近開發的方法，包括聚合酶鏈式反應（PCR）^[11]、后聚合^[12]、有機相反應^[13][13]。

水性環境中的溶液相DNA修飾已被證明是在不同DNA位置上偶聯親水分子的高度通用和有效的方法。然而，含有疏水功能部分的兩親性DNA雜化材料的合成效率較低，這是因為很難找到既能容納極端親脂分子又能容納親水DNA鏈的溶 ???劑^[14]。2014年劉凱等指出了一種通過引入疏水性DNA表面活性劑復合物作為反應性支架的核酸修飾和聚合的有機相偶聯策略^[15]，高效生產了一系列顯著的兩親DNA結構（DNA-芘^[16]、DNA-三苯基膦、DNA-烴^[17]和DNA嵌段共聚物）和一系列具有高DNA接枝密度的新型刷型DNA側鏈均聚物，如圖1所示。

固相功能化主要基于相同的磷酰胺化學^[18]，疏水基團可以容易地與2-氰基乙基-N，N-二異丙基磷酰胺基團偶聯，然后將其修飾為固體載體CPG上的DNA。由于固相法中不同有機溶劑的相容性，它被認為是疏水功能化的通用方法。還應注意，pling反應對水和氧敏感，所以需要在無水和無氧條件下進行^[19]。此外通過固相合成對DNA的化學修飾不限于磷酰胺化學。由氨基封端的DNA和羧基修飾的疏水分子形成酰胺，疊氮封端DNA和炔官能化的疏水分子之間的Huisgen環加成（銅催化的炔疊氮環加成），Sonogashira偶聯和3′端DNA與亞磷酸酯酰胺化學的功能化也可以用疏水分子在末端功能化DNA，這也拓寬了固相合成的應用。

DNA-有機分子的合成的其他方法還包括基于PCR的修飾、后聚合、膠束模板化等方法^[20]。

2??DNA-有機分子雜化體的應用研究

在過去的幾十年中，許多DNA-有機分子兩親分子^[6，21]通過偶聯不同的疏水分子（包括合成聚合物、樹枝狀物和小有機分子）而被設計和合成。當這些組分分子具有內在功能，如氧化還原、光物理和生物特性時，它們將為最終組裝提供合理設計的功能。雖然兩親性組裝的驅動力疏水相互作用是非定向的，但DNA和疏水分子的結合將為兩親性組裝過程帶來更多的可尋址性和可編程性。組裝體外圍高密度的DNA序列，可有效增加組裝體的靶向效果和功能負載，內核的疏水區可以負載藥物分子或功能分子。

ALP是一種水解酶，可以從核酸或蛋白質中去除磷酸基團^[22-23]。值得注意的是，ALP已被廣泛用于將親水性磷酸化小分子轉化為疏水性去磷酸化產物，用于分子成像、疾病診斷和癌癥治療。鄒建梅等合成了磷酸化脂質共軛寡核苷酸（DNA-lipid-P），以開發基于去磷酸化誘導的疏水性增加的DNA兩親分子的酶響應自組裝^[24]，如圖2所示。

用于酶觸發藥物遞送的DNA納米膠囊如圖3所示^[25]。納米膠囊由有機核和DNA殼組成，可通過DNA連接酶與治療信使RNA（mRNA）裂解DNA酶進一步偶聯。DNA納米膠囊可以在核心中包含小藥物分子，并設計為響應酯酶降解，已知酯酶在內體中高濃度存在。內體逃逸是納米級藥物遞送系統中的一個重要問題。在這種方法中，酯酶引發的納米膠囊降解可以改善內體逃逸，從而提高藥物效率。

最近，Schnichels和Herrmann研究了負載溴莫尼丁的DNA脂質膠束，以改善青光眼治療^[26]。這些DNA膠束有利于藥物的保留釋放，并在體外和體內表現出優異的生物相容性。2019年，LIU等開發了通過主客體相互作用的DNAPDI組裝體的可逆形態調節^[27]。由于PDI單元的強π-π相互作用，DNA-PDI首先組裝成球形膠束。葫蘆素尿苷的加入導致了從球體到2D DNA納米的形態學轉變，并在675?nm處明顯增強了熒光。

2021年，SIONED 等結合實驗和原子分子動力學（MD）模擬研究了疏水標記DNA與合成膜和細胞膜的相互作用^[28]。DNA雙鏈體通過與末端膽固醇錨結合或通過電荷中和的硫代磷酸烷基酯（PPT）帶的化學合成而變得疏水。他們的MD模擬直接揭示了脂質膜內PPT-DNA的復雜結構和能量學，表明較長的烷基PPT鏈提供了最穩定的膜錨定，但可能破壞溶液中的DNA堿基配對。當在細胞上測試時，膽固醇DNA均勻分布在細胞表面，而烷基PPT-DNA在質膜上聚集成簇狀結構。當他們將研究擴展到活HeLa細胞時，證明了合成膜和生物膜中DNA相互作用的差異。與簡化的巨大單層囊泡和模擬雙層相比，這突出了細胞膜的復雜性。因此，在合成和生物脂質環境中進行實驗對于理解DNA納米結構與膜的相互作用至關重要。

利用有機分子拓撲結構的合理設計，基于DNA嵌段共聚物、DNA-樹狀分子雜化體、DNA-脂質的兩親分子的自組裝，也進行了討論。此外，基于DNA納米結構的兩親性組裝的最新進展也因其獨特的性質和新穎的組裝行為而備受關注。已經證明，這些DNA有機兩親體聚集體不僅充當生物醫學和材料科學中裝載藥物種類或功能分子的載體，而且可以模擬生物系統^[29]，以幫助理解生命系統^[30-31]。隨著兩親DNA雜交體的快速發展，有望將其引入更復雜的DNA支架中，以開發生物激發系統和生物醫學智能納米系統。此外，通過使用刺激疏水分子，它有可能擴展到動態DNA納米結構^[32]。結合反應性實體，也可以制備刺激反應性生物材料，這在生物醫學領域（包括藥物遞送和治療）中顯示出巨大的潛在應用。

3??結束語

總結了DNA兩親分子的最新進展，包括它們的合成、自組裝和應用。合成方法主要有固相合成法和液相合成法，但由于液相合成效率較低，因此固相合成是合成DNA-有機分子雜化體常用的合成方法。DNA-有機分子形成的組裝體外圍高密度的DNA序列，可有效增加組裝體的靶向效果和功能負載，內核的疏水區可以負載藥物分子或功能分子。可以預期，該領域將為自組裝帶來更多的基礎研究，并在各個領域中得到更多的應用。

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Synthesis and Application of DNA-Organic hybrid

ZHAO Xiaohuan

（College of Chemistry and Material Engineering， Wenzhou University， Wenzhou Zhejiang 325035， China）

Abstract：??With the development of DNA chemical modification technology， amphiphilic DNA organic compounds are synthesized by solid phase reaction between hydrophobic molecules and DNA. Amphiphilic organic compounds can be regarded as new building blocks and then spontaneously assembled into various nanostructures in solution. The assemblers have important applications in drug delivery， targeted delivery and biosensing. In this paper， the assembly and synthesis of DNA- organic molecules were discussed， as well as the research progress in biomedicine.

Key words：??DNA; Organic molecules; Synthesis; Assembly; Application

收稿日期： 2023-03-18

作者簡介： 趙曉換（1997-），女，河南省鶴壁市人，碩士，研究方向：超分子化學。