DNA纳米机器是基于DNA自组装形成的纳米结构。通过嵌入多种类型的功能核酸单元，DNA纳米机器可以响应肿瘤细胞内源性刺激物（如谷胱甘肽、microRNA等）而引发结构变化，实现肿瘤细胞成像或治疗。然而，实体肿瘤的微环境复杂，肿瘤细胞周边存在大量有重要功能的健康细胞（如成纤维细胞、免疫细胞等）。传统的DNA纳米机器往往会因实体瘤微环境中内源性刺激物的影响，在其进入靶向肿瘤细胞前被误启动，对周围健康细胞造成毒副作用损伤。因此，开发一种在细胞水平上特异性激活的纳米机器，对于肿瘤的精准治疗具有重要意义。
细胞膜是隔离细胞与外部环境的天然屏障，通过核酸适配体与膜蛋白结合，可以使DNA纳米机器在细胞膜表面进行逻辑运算而产生输出信号。在前期研究中，鞠熀先与刘颖教授报道了基于核酸适配体和细胞膜上双受体结合的“双锁-智能钥匙”DNA逻辑门模型，并在肿瘤细胞识别与肿瘤治疗中实现了细胞亚型特异性的区分（Nat. Commun. 2016, 7, 13580）。然而，在细胞膜表面完成“逻辑门”运算需要依赖DNA链在细胞膜上的迁移。这一过程依靠DNA链的“脱落与再结合”，效率受限，且易产生假阳性结果。为解决这一问题，该研究组设计了一种跨细胞膜进行DNA逻辑门运算的纳米机器（图1a），其两步DNA运算分别在细胞膜上与细胞质内完成，有效避免了DNA纳米探针在实体瘤微环境中的非特异性激活，实现了活体内实体肿瘤的精准光动力治疗。该DNA纳米机器由上转换纳米粒子内核（UCNPs）、DNA组装体L012和H012组成（图1b）。含sgc8适配体的DNA链LA-apt与癌细胞膜上过表达的PTK-7蛋白结合，构成信号输入端1；癌细胞内高表达的miRNA-21作为信号输入端2。这两个信号输入端与DNA纳米机器上的L012部分共同形成“AND”逻辑门。
1. (a) DNA跨膜逻辑门运算与(b) DNA纳米机器结构示意图。(c)以LA-apt与PTK-7蛋白结合构成信号输入端1、miRNA-21为信号输入端2进行跨膜运算而释放L2。(d) L2启动循环反应恢复光敏剂活性。
DNA纳米机器进行跨膜逻辑运算的过程如下：LA-apt与L012在细胞膜表面杂交，取代L1链后暴露miRNA-21的结合位点，并诱导纳米粒子进入细胞质；细胞质中的miRNA-21与纳米粒子上的L012发生链取代反应，输出信号（即释放的L2链）（图1c）；释放出的L2链打开UCNPs表面修饰的H1发卡，并随后打开H2发卡重新释放L2链进行下一循环。这一过程可不断恢复光敏剂的活性，在UCNPs的绿色发射光的激发下产生活性氧，实现肿瘤细胞的光动力治疗（图1d）。
将ROS指示剂DHR123修饰在DNA纳米机器上可验证细胞内精准光动力治疗。在细胞表面锚定LA-apt后，UCNPs-DNARB/BHQ孵育的MCF-7细胞在近红外光照下有明显的ROS产生（图2a），而其对照物则不能被产生ROS（图2b）。miRNA识别位点未被封闭的对照材料UCNPs-DNA'RB/BHQ与miRNA-21孵育后，在miRNA-21阴性的MCF-7细胞中显示明显的ROS荧光；而UCNPs-DNARB/BHQ此细胞中并没有ROS产生（图2c）。因此，封闭miRNA识别位点可保证光动力治疗仅在肿瘤细胞内发生，避免对正常细胞组织的损伤，从而实现癌细胞的精准高效光动力治疗（图2e）。
2. (a) LA-apt和(b) LA'-apt锚定的UCNPs-DNARB/BHQ处理MCF-7细胞后的共聚焦成像。(c) LA-apt锚定miRNA-21阴性的MCF-7细胞在UCNPs-DNARB/BHQ或UCNPs-DNA'RB/BHQ处理后的共聚焦成像。(d) MCF-7对照细胞与分别不同方式处理后的MCF-7细胞的细胞存活率。(e) MCF-7对照细胞、在UCNPs-DNARB/BHQ (LA-apt+A)、UCNPs-nrDNARB/BHQ (LA-apt+B)或UCNPs-DNA (LA-apt+C)处理后的LA-apt锚定MCF-7细胞、UCNPs-DNARB/BHQ处理后(LA'-apt+A)的LA'-apt锚定细胞的细胞增殖率。
DNA纳米机器进行光动力治疗的效果在动物层面也得到验证（图3）。通过在UCNP表面与L0链末端分别标记Cy3以及Cy5，得到双色纳米机器UCNPsCy3-DNABHQ-Cy5，同时发卡H1末端修饰的BHQ使Cy3荧光的猝灭。通过Cy5对DNA纳米机器在活体内的递运示踪，通过Cy3的荧光恢复显示DNA纳米机器的激活。从小鼠荧光成像可看出，尽管纳米材料会部分进入肝脏，只有肿瘤处有明显的Cy3荧光，证明该DNA纳米机器的跨膜运算仅在肿瘤细胞中激活，而不会对正常器官组织造成损伤。
3. 注射LA-apt或LA'-apt、随后UCNPsCy3-DNABHQ-Cy5或UCNPsCy3-DNA'BHQ-Cy5小鼠的(a)活体荧光成像与(b)器官和肿瘤组织成像。
上述相关成果已以“Activating DNA Nanomachine via Computation across Cancer Cell Membrane for Precise Therapy of Solid Tumors”为题于9月2日在Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.1c06361）在线发表。张玥和陈伟伟副研究员为该工作的共同第一作者，鞠熀先教授和刘颖教授为共同通讯作者。
值得一提的是，直博生张玥在该研究组攻读博士学位期间（2015.9-2020.8）围绕“癌症高效精准诊疗中的上转换纳米探针的研制及其性能研究”取得一系性创新成果。她实现了上转换发光驱动的DNA偶氮苯纳米泵用于化疗药物的可控释放（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 18207-18211）和近红外光响应microRNA放大器的早期癌症精准光动力治疗（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21454-21459），提出近红外光控撕裂上转换纳米胶囊的siRNA递运和基因治疗策略（Biomaterials2018, 163, 55-66），通过近红外光瞬间点燃上转换纳米炸弹，实现了快速药物释放和癌症高效治疗（J. Control. Release2021, 336, 469-479），并以共同第一作者针对siRNA运载体系存在的靶向性与siRNA稳定性问题，发展了一种时空可控的基因治疗方法（ACS Nano2018, 12, 10797-10806）。
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