Itamar Willner教授Adv. Funct. Mater.：基于核酸的水凝胶涂覆的MOF纳米粒子用作刺激响应的可控药物释放

【引言】

金属有机框架 (MOF)，凭借其高孔隙特征可用于多种多样的应用，如气体吸附和分离、作为催化基体、作为药物载体用于可控药物释放、传感器等，吸引了研究者们极大的兴趣。此外，DNA纳米技术引入了“DNA开关”的概念，并取得了相应进展。其中超分子核酸结构，在存在合适信号和逆信号时可以发生可逆转换，因此可用于设计DNA机器重新转换DNA纳米结构，用于合成基于DNA的水凝胶发生胶状和液体状态的可逆转变，也可用于建构手性等离子激元的纳米粒子的组装。因此，多孔的MOF纳米粒子负载药物，并连接可刺激响应的核酸封端单元，提供了一种通用方式用于开发智能药物载体。然而，有关核酸功能化的MOF纳米粒子的报道非常少，而且MOF纳米粒子封端过程中导致了其负载量的降低。因此，探索出一些新颖的MOF纳米粒子与核酸的封端方法从而有效避免其局限性至关重要。

【成果简介】

近日，以色列耶路撒冷希伯来大学的Itamar Willner院士(通讯作者)等人在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“Stimuli-Responsive Nucleic Acid-Based Polyacrylamide Hydrogel-Coated Metal–Organic Framework Nanoparticles for Controlled Drug Release”的文章，文中作者利用MOF纳米粒子负载DOX抗癌药物，并且涂覆了一种可刺激响应的聚丙烯酰胺/DNA水凝胶。这种水凝胶的交联是通过含有抗ATP核酸适体的核酸双链体在笼形构造中实现的。当存在ATP时，这种交联的桥接单元因为形成ATP-核酸适体复合物而被分离，进而导致水凝胶壳的分离，从而释放药物。

【图文简介】

图一：水凝胶涂覆的MOF纳米粒子合成过程示意图及微观形貌表征

（A）水凝胶涂覆的MOF纳米粒子合成过程示意图。首先，UiO-68 MOF纳米粒子是通过加热ZrCl₄合成的，之后将其表面的氨基官能团转换为叠氮化物官能团，以连接改性后的核酸。随后，将抗癌药物DOX负载进MOF纳米粒子中，并且该载体通过杂化以形成双链的固定单元。将形成的MOF纳米粒子进一步沉淀并悬浮在包含有两个发夹结构的DNA官能化的丙烯酰胺聚合物链P_A和P_B的缓冲溶液中。

（B）水凝胶涂覆的MOF纳米粒子通过形成ATP-核酸适体复合物释放药物的示意图。ATP接触该复合系统后，会形成ATP-核酸适体复合物，从而造成桥接单元的分离，进而断裂部分水凝胶，引起药物释放。

（C）MOF纳米粒子SEM图像。MOF纳米粒子呈现出一种双金字塔结构，并且尺寸在280-350 nm。

（D）水凝胶涂覆的MOF纳米粒子SEM图像。MOF纳米粒子比较尖锐的角消失了，而且粒子的表面越来越光滑。

图二：水凝胶涂覆的MOF纳米粒子在ATP作用下的DOX释放特征

（A） 时间相关的DOX从水凝胶涂覆的MOF纳米粒子中释放的曲线：a) 加入ATP后，b) 没有添加ATP。

（B）不同ATP浓度下的DOX从水凝胶涂覆的MOF纳米粒子中释放的荧光光谱：a) 0×10^-3 M；b) 5×10^-3 M；c) 10×10^-3 M；d) 25×10^-3 M；e) 50×10^-3 M。从中可以看出DOX的释放可以通过调节ATP的浓度控制，且随着ATP浓度增加，释放量逐渐增加。

（C）添加了a) ATP，0×10^-3 M；b) TTP，50×10^-3 M；c) GTP，50×10^-3 M；d) CTP，50×10^-3 M和 e) ATP，50×10^-3 M后，DOX从水凝胶涂覆的MOF纳米粒子中的选择性释放，除ATP外其他核苷三磷酸不能刺激负载物的释放。

（D）对比时间相关的从水凝胶涂覆的MOF纳米粒子和核酸封端的MOF纳米粒子中释放/泄漏的DOX：a) 在ATP作用下从水凝胶涂覆的MOF纳米粒子中释放的DOX；a’）没有ATP作用下从水凝胶涂覆的MOF纳米粒子中泄漏的DOX；b) 在ATP作用下从核酸封端的MOF纳米粒子中释放的DOX；b’) 没有ATP作用下从核酸封端的MOF纳米粒子中释放的DOX。从中可以看出水凝胶涂覆的MOF纳米粒子ATP触发下释放的DOX量更高，泄漏量更少，因此更有效。

图三：水凝胶涂覆的MOF纳米粒子在嵌入不同细胞下的共聚焦显微镜图像

（A）负载DOX的核酸封端的MOF纳米粒子进入I) MCF-10A 乳腺上皮细胞和 II) MDA-MB-231乳腺癌细胞的共聚焦显微图像；负载DOX的水凝胶涂覆的MOF纳米粒子进入III) MCF-10A 乳腺上皮细胞和 IV) MDA-MB-231乳腺癌细胞的共聚焦显微图像。红色荧光点表示了渗透进入细胞的MOF纳米粒子，从中可以看出只有少量的MOF纳米粒子渗透进入MCF-10A乳腺上皮细胞，而由于癌细胞增强的渗透和保留效应，更多的MOF纳米粒子渗透进入了乳腺癌细胞。

（B）I) A中(II)的放大图像， II) A中(IV)的放大图像。II中模糊的区域（黄圈）是因为在MOF纳米粒子上涂覆的水凝胶。

图四：水凝胶涂覆的MOF纳米粒子对不同癌细胞的毒性研究

MOF纳米粒子对乳腺癌细胞和正常乳腺上皮细胞的毒性：

a) 对照组；

b) 细胞被核酸封端的MOF纳米粒子处理；

c) 细胞被水凝胶涂覆的MOF纳米粒子处理；

d) 细胞被负载DOX的核酸封端的MOF纳米粒子处理；

e) 细胞被负载DOX的水凝胶涂覆的MOF纳米粒子处理。从中可以看出水凝胶涂覆的MOF纳米粒子处理后的MDA-MB-231乳腺癌细胞的存活率最低。

图五：水凝胶涂覆的MOF纳米粒子对乳腺癌细胞的毒性研究

（A）在24 h和120 h后凝聚细胞的相差和红色荧光图像（红色荧光代表了细胞的凋亡）；

（B）时间相关的乳腺癌细胞凋亡曲线。

a) 细胞用没有负载的水凝胶涂覆的MOF纳米粒子处理后，

b) 细胞用负载DOX的ATP响应的核酸封端的MOF纳米粒子处理后，

c) 细胞用负载DOX的ATP响应的水凝胶涂覆的MOF纳米粒子处理后。

【小结】

本文介绍了可刺激响应的基于核酸的水凝胶涂覆的MOF纳米粒子作为一种新颖的复合药物载体。ATP响应的聚丙烯酰胺水凝胶MOF纳米粒子相比于用双链核酸单元封端的MOF纳米粒子作为药物载体的效率得到了很大的提升。水凝胶涂覆的MOF纳米粒子的负载量得到了可观地增加，并且从该系统中负载药物的泄漏量也得到了降低。此外，该复合药物载体对MD-MBA-231癌细胞的细胞毒性也非常高。因此，这些结果表明作者成功开发了一种性能提升的可刺激响应的水凝胶-MOF纳米粒子作为药物载体。

文献链接：

Stimuli-Responsive Nucleic Acid-Based Polyacrylamide Hydrogel-Coated Metal–Organic Framework Nanoparticles for Controlled Drug Release (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201705137)

本文由材料人编辑部昝萍编译，点我加入材料人编辑部。

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