《AHM》综述：携带“DNA密码”的刺激响应自降解水凝胶

来源：EngineeringForLife 2023-04-12 10:01

DNA水凝胶在生物医学和生物分析应用中发挥着越来越重要的作用。然而，DNA水凝胶的稳定性阻止了它们按需快速释放货物以及时达到完全治疗效果。

DNA水凝胶在生物医学和生物分析应用中发挥着越来越重要的作用。然而，DNA水凝胶的稳定性阻止了它们按需快速释放货物以及时达到完全治疗效果。为了满足这些要求，设计了刺激响应性DNA水凝胶。通过响应不同的刺激，可自降解的DNA水凝胶可以从凝胶转换为溶液，用于定量生物分析和精确的货物输送。

 

近日，来自郑州大学药学院张开翔教授团队总结了用于设计刺激响应自降解DNA水凝胶的创新方法，并展示了它们在生物分析和生物医学领域的应用（图1）。相关综述论文以“Stimuli-Responsive Self-degradable DNA Hydrogel: Design, Synthesis and Applications”为题于2023年1月28日发表在Adv. Healthcare Mater.上。

 

 

图1 刺激响应自降解 DNA 水凝胶：设计、合成和应用

 

01

刺激响应性DNA水凝胶的合成及自降解策略

 

合成刺激响应自降解 DNA 水凝胶的主要策略是在 DNA 骨架或 DNA 接头中整合刺激响应结构或材料。通过各种交联相互作用，可以驱动产生的 DNA 水凝胶对不同的外部触发因素做出反应。交联相互作用主要包括物理交联和化学交联。相应地，刺激响应性DNA水凝胶自降解的方法主要是通过打断交联位点来破坏水凝胶网络。

 

在本节中作者主要描述了刺激响应性自降解 DNA 水凝胶的合成方法，以及它们的自降解途径，详细叙述了纯DNA水凝胶（图2）和DNA杂化水凝胶（图3）的基本策略和示例。

 

图2 刺激响应自降解纯DNA水凝胶的合成方法及自降解途径

 

图3 刺激响应自降解DNA杂化水凝胶的合成方法和自降解途径

 

02

刺激响应自降解DNA水凝胶的功能结构

 

刺激响应自降解DNA水凝胶的功能结构主要包括图4A) C-GC DNA三链体；B)i-motifs；C)G-四链体；D)脱氧核酶和 E) 适体。作者对这五部分功能结构分别进行了详细叙述和说明。

 

图4 在不同的刺激条件下，刺激反应结构的形成和解离

 

03

刺激响应自降解DNA水凝胶的触发因素

 

接着，作者总结了刺激响应自降解DNA水凝胶的触发因素：非生物刺激（pH、光、温度和金属离子）和生物刺激（酶、酶、核酸、A TP 和其他生物分子）（表1）。

 

表1 破坏刺激响应自降解DNA水凝胶交联点的策略（部分内容）

 

04

刺激响应自降解DNA水凝胶的应用

 

与其他结构转化类型的DNA水凝胶相比，刺激响应自降解DNA水凝胶具有“精确控释”和“宏观体积变化”的特点。根据这两个特性，它非常适合生物传感器、药物递送和释放、细胞捕获和释放。此外，由于DNA水凝胶的尺寸差异，自降解DNA水凝胶和DNA纳米凝胶在适用的应用方面也不同。在此部分，作者分别讨论了自降解DNA水凝胶和DNA纳米凝胶的应用。

 

（1）自降解DNA水凝胶

自降解DNA水凝胶能够对目标分析物进行高度灵敏的检测，是制造简单、灵敏和便携式生物传感器的强大工具。DNA水凝胶生物传感器可以通过凝胶-溶胶转变的特性将特定的分子识别过程转化为光、电或其他信号。作者对各种类型的水凝胶传感器进行了示例和总结（图5-7）。

 

图5 用于生物传感的刺激响应自降解 DNA 水凝胶封装信号分子

 

图6 用于生物传感的刺激响应自降解 DNA 水凝胶组合信号读出装置

 

图7 用于生物传感的刺激响应自降解 DNA 水凝胶组合信号读出装置

 

此外，DNA水凝胶作为药物递送系统具有许多优点，包括有效结合药物的多孔网络、保持药物活性和防止药物过早降解、缓释药物以减少药物副作用以及良好的生物相容性。刺激响应自降解DNA水凝胶既保留了普通DNA水凝胶的递送优势，又增加了响应刺激的智能控释效应。它通常封装具有光热或氧化还原效应的无机材料和药物，无机材料作为响应刺激的开关，以实现特定的受控药物递送功能（图8）。

 

图8 用于药物递送和释放的刺激响应自降解DNA水凝胶

 

与其他水凝胶相比，基于DNA分子独特的可编程性和良好的生物相容性，刺激响应自降解DNA水凝胶更容易引入功能序列和刺激响应结构，特异性捕获和释放靶细胞。目前从杂乱无章的细胞中捕获靶细胞的策略主要是通过配体与靶细胞膜上的受体结合，而释放靶细胞的策略是酶消化或水凝胶自身降解以响应其他刺激（图9）。

 

图9 用于细胞捕获和释放的刺激响应自降解 DNA 水凝胶

 

（2）DNA纳米凝胶的应用

块状 DNA 水凝胶由于尺寸大而限制了它们在活细胞中的细胞内应用，但DNA 纳米凝胶由于其纳米级尺寸更适合活细胞的疾病监测和治疗。 同样，作者在此部分对DNA纳米传感器的生物成像应用和药物释放应用进行了叙述。

 

05

总结

 

随着DNA纳米技术的快速发展，DNA以其良好的生物相容性、生物降解性、可调谐的多功能性和精确的可编程性，成为设计和制造智能材料的理想材料。刺激响应自降解 DNA 水凝胶在基于 DNA 的生物材料中非常有趣：它具有“释放”功能的特点，在生物传感、药物传递和细胞捕获和释放方面发挥着不可替代的作用。刺激响应性 DNA 结构可用作骨架或交联剂来制备混合 DNA水凝胶或纯DNA水凝胶，许多其他功能性DNA结构可用于实现凝胶的不同特性。

 

目前，已经开发了大量基于不同响应的刺激响应自降解DNA水凝胶。然而，仍有许多问题需要解决。主要问题之一是如何在降低成本的同时提高产量并保持 DNA 水凝胶的纯度。同时，降解的DNA可能会引发体内的炎症反应。如何在生理条件下保持DNA水凝胶的稳定性，避免DNA免疫原性，仍然是一个需要关注的问题。

 

总之，刺激响应自降解DNA水凝胶将以其各种独特优势继续推动生物医学的发展，并将与更多创新设计相结合，成为智能生物材料平台。