基于DNA折纸构筑的上转换多模态成像探针的设计及应用

Multimodal imaging probe is a contrast agent for multimodal imaging. Multimodal imaging integrates merits of different imaging modalities and complementary information from each imaging modality. At present several imaging probes have been widely used including small molecule, iron-oxide nanoparticle and so on. However, nanoparticle is potentially poisonous, and small molecule has bad imaging effect due to its short circulation time. Deoxyribonucleic acid (DNA) is an important biomacromolecule, which has good biocompatibility and biodegradability. We will creat many DNA nanostructures with controllable size using DNA molecule as a programmable material. The DNA nanostructures have several advantages: stable structure, simple synthesis, easy modification, and high molecule-loading capacity. In our project we propose a novel method to establish multimodal imaging probe------DNA origami is used as a carrier for contrast agent and assembles upconversion nanopaticles by convalent linkage or noncovalent linkage. We characterize the DNA origami/ upconversion nanopaticle complex by AFM, TEM, FL and so on. We estimate its biotoxicity and stability. Finally they were used for in vivo UCL/CT imaging, demonstrating promising for multimodal bioimaging application. Up to now, there is no report about DNA origami based multimodal imaging probe issue, thus this project will pave a new way for promoting the efficiency and safety of contrast agent.

多模态成像探针是指集成多种造影功能，能够为两种或多种成像技术提供造影效果的生物探针。目前应用最为广泛的成像探针有小分子、氧化铁纳米粒子等。但纳米粒子具有潜在的生物毒性，而小分子在体内循环时间过短，不利于稳定可靠成像效果的获得。DNA是生物大分子，具有良好的生物相容性和生物可降解性。本项目拟以DNA作为元材料，搭建一系列尺寸可控的DNA折纸，这种DNA折纸不仅具有DNA分子的优点，而且结构稳定，易于合成和修饰，并具有很高的药物装载能力。利用设计合适的DNA折纸为造影剂载体，通过非共价和共价连接的方法组装两种上转换纳米粒子，采用AFM、TEM、荧光光谱等手段对复合材料进行表征，并研究成像探针的生物毒性和稳定性，最终实现DNA折纸/上转换纳米粒子探针的多模态成像。迄今为止，利用DNA折纸作为造影剂载体的临床造影剂在国内尚未见报道，因此这项研究为提高临床造影剂的安全性和稳定性开创一种新途径。

本项目主要研究成果阐述如下：.（一）.DNA折纸定向固定抗体研究.我们设计并合成了含有一个空腔的二维和三维DNA折纸结构，这个空腔大小正好可以容下抗体的Fc域，在空腔的其中两面各连接了一条tris(NTA)用来非共价螯合Fc域上的组氨酸簇，另外两面各连接了两条NHS酯用来共价连接抗体分子上的赖氨酸残基。原子力和透射电镜表征证实了通过这种非共价和共价相结合的方法，抗体在折纸结构中有效固定。相比其他蛋白质固定策略，此项研究可以高度控制抗体在折纸中的固定方向，有利于抗体活性位点的暴露，为传感检测、蛋白晶体结构的测定等应用提供更好的平台。.（二）.DNA纳米带抑制金属β内酰胺酶活性研究.我们设计合成了一系列DNA纳米带结构，发现此DNA纳米带可以成功抑制金属β内酰胺酶NDM-1、Imis、L1的活性，而且IC50达到纳摩尔级别。通过电泳、原子力、荧光、CD、熔炼温度的测量研究了DNA纳米带与金属β内酰胺酶的相互作用，并确定了它们的作用方式为小沟槽嵌入。这项研究为设计开发新型金属β内酰胺酶抑制剂提供新的思路。.（三）.DNA纳米带对细胞色素C的功能调节研究.我们研究了DNA纳米带与细胞色素C的相互作用，发现DNA纳米带可增强细胞色素C的氧化还原活性，并降低其过氧化物酶活性。原子力显微镜，凝胶电泳和光谱分析证明，细胞色素C通过静电相互作用和沟槽结合与DNA纳米带相互作用，却不涉及配位键的断裂和形成。这种结合改变了血红素基团附近的微环境，并阻碍了过氧化氢接近金属中心，从而导致了对过氧化物酶活性的抑制。这些发现可用于开发基于DNA纳米材料的神经退行性疾病药物。