基于DNA折纸技术研究纳米颗粒在细胞摄取和细胞毒性中的形状效应

Nanomaterials as drug delivery carriers and diagnostic probes have broad applications in biomedicine. Current studies revealed that the biodistribution, metabolism and toxicity of nanomaterials are all strongly dependent on their shape, size and surface properties. However, in comparison to the extensive studies on particle size and surface properties, the study about shape effect on nanoparticles’ bioproperties is still very little. Moreover, most of the studies about shape effect using spherical and rod shapes, reports about more complicated shapes are very rare. This is due to the significant difficulty on precise preparation of nanoparticles with complicated shapes. Therefore, this project will use an emerging technique in bionanotechnology, which is called DNA origami technique, to precisely prepare a series of nanoparticles with different shapes, and further study their cell uptake efficiency, uptake mechanism, cytotoxicity and cell selectivity. The aim is to discover some general rules about how shape will affect bioproperties of nanomatierials. Based on this, it would be possible to design nanoparticles with specials shapes to optimize the cell uptake and excretion rate and obtain selectivity to particular cells and tissues. This study will provide new strategies and guidance for the design of nanomedicine in the future.

纳米材料作为药物载体、诊疗探针等在生物医学领域有着越来越广泛的应用。现有研究表明，纳米材料的形状、大小与表面性质等都会对其体内分布、代谢途径、生物毒性等产生复杂的影响。然而，相比于对纳米颗粒大小和表面性质的广泛研究，形状对纳米颗粒生物效应的影响研究得相对较少。且这些研究基本局限于比较球形和棒状的纳米颗粒的差别，更加复杂的形状则少有报道。这主要是由于精确可控地制备复杂形状的纳米颗粒是非常困难的。因而，本项目拟利用DNA折纸技术这一新兴的生物纳米技术来精确制备一系列具有不同形状的纳米颗粒，进而研究它们被细胞摄取的效率、摄取途径、细胞毒性和细胞选择性等，试图找到形状对纳米材料生物性质影响的一般规律。在此基础上，通过设计具有特殊形状的纳米材料，期望能够更好地调控纳米颗粒被细胞摄取和排出的速率以及实现对特定的细胞和组织的选择性等，为未来纳米药物的开发提供新的策略和指导。

纳米材料作为药物载体、诊疗探针等在生物医学领域有着越来越广泛的应用。现有研究表明，纳米材料的形状、大小与表面性质等都会对其体内分布、代谢途径、生物毒性等产生复杂的影响。然而，相比于对纳米颗粒大小和表面性质的广泛研究，形状对纳米颗粒生物效应的影响研究得相对较少。且这些研究基本局限于比较球形和棒状的纳米颗粒的差别，缺乏更加系统的研究。这主要是由于精确可控地制备复杂形状的纳米颗粒是非常困难的。因而，本项目利用DNA折纸技术这一新兴的生物纳米技术来精确制备一系列具有不同形状的纳米颗粒，进而比较它们被细胞及三维细胞球摄取的效率等，总结了形状对纳米材料生物性质影响的一般规律，对于纳米药物的设计起到了一定的指导作用。同时，本项目建立了多种DNA纳米结构的表面修饰方法，包括阳离子化白蛋白对DNA纳米结构进行包裹、DNA纳米结构表面的可控矿化等，极大地提高了DNA纳米结构的细胞摄取效率和形貌稳定性。以上研究为利用DNA纳米材料构建具有更好的实体瘤摄取效率的纳米药物载体打下了良好的基础。