MicroRNA响应型纳米DNA水凝胶药释开关的构建和微流体单细胞胰腺癌靶向验证研究

The tumor heterogeneity in pancreatic cancer has greatly affected the targeting and therapeutically efficiency of drug delivery nanovehicles. In this project, we will develop a novel targeted drug delivery system to target the overexpressed microRNA in tumor. The mesoporous silica (MSN) nanoparticles and DNA hydrogel will be assembled together into a nanocomposite (MSN@DNA). Anchor DNA with anti-microRNA sequence will be conjugated to the surface of MSN and two other DNA strands will partially complementary to the anchor DNA and be assembled as hydrogel to encapsulate MSN. In the presence of specific microRNA, the anchor DNA has the priority to bind microRNA thus open the helix and lead to decomposition of the hydrogel shell, and therefore the drugs in MSN pores will be released. More importantly, the opening of DNA hydrogel will consume miRNA thus silent it to have gene therapy. In this study, we have also creatively used microfluidic single cell analysis tool to screen and identify the targeting efficiency of MSN@DNA. Big data will be acquired at single cell level with high throughput. We will further investigate how tumor heterogeneity, metastasis and drug resistance affect the targeting efficiency of MSN@DNA. This project combines the programmable DNA hydrogel with microfluidic single cell analysis technique, which will provide fundamental understanding on future applications of personalized pancreatic cancer medication.

胰腺癌肿瘤的异质性极大地影响了靶向纳米药物载体的选择性识别性能和治疗效果，从而增加了其临床转化的难度。本项目设计了一种以胰腺癌高表达microRNA 作为靶标和药物控释响应诱导因子的介孔二氧化硅/DNA水凝胶复合纳米药物系统（MSN@DNA）。拟基于碱基互补配对原理，特定编辑一种与miRNA完全互补的DNA序列锚定在MSN表面，并与其它两种DNA序列通过部分碱基互补并自组装成为稳定的水凝胶包封壳层。DNA壳层可以优先与miRNA竞争结合，从而使壳层解离并释放孔道内药物，同时对miRNA基因沉默，从而实现药物/基因协同细胞生长抑制。另外，本项目创新的采用了微流体单细胞分析方法，在单细胞层面高通量地评价了MSN@DNA的胰腺癌靶向效率，并研究了肿瘤异质性、耐药性、转移性对靶向效率的影响。该项目将DNA编辑水凝胶技术和微流体单细胞检测技术进行有效结合，有望实现胰腺癌的个体化治疗。

细胞内基因的异常表达是肿瘤异质性的重要原因，给肿瘤治疗带来了重大挑战。微小RNA (miRNA)是一种内源性非编码小RNA，长度约为22个核苷酸。已发现多种miRNAs的表达与癌细胞的发育和分化有关。DNA水凝胶具有生物相容性、分子识别能力和纳米结构可控性，在靶向调控治疗方面显示出巨大的潜力。此外，它们是胶体稳定的，能够快速刺激反应，并且可以依靠肿瘤中增强的渗透性和滞留效应被动靶向肿瘤。因此，miRNA响应性DNA纳米水凝胶的制备是一种非常有前途的肿瘤靶向调控治疗的设计方法。然而，DNA表现出很强的电负性，对于DNA来说，被癌细胞内吞是具有挑战性的。此外，DNA水凝胶的疏水性载药量低，这极大地限制了其与一线抗癌药物的协同应用。.在此，通过用于胰腺癌靶向化疗/基因协同治疗的简单原位生长技术，通过用miRNA-21响应性DNA水凝胶包封负载Gem的MSN，成功开发了简单而多功能的靶向策略。miRNA-21的反义链被用作识别构件，参与DNA水凝胶的交联。Gem@MSN@DNA纳米系统应用的靶向策略与受体介导和正常肿瘤微环境介导的靶向策略(如pH或氧化还原)完全不同。它的靶向性是基于胰腺癌细胞特有的癌基因，因而在血液循环过程中不会受到蛋白质吸附的严重干扰。.只有在纳米载体遇到胰腺癌细胞高度表达的miRNA-21后，水凝胶层才能通过toehold介导的链置换机制实现响应性崩解。随后，随着DNA保护层的降解，MSN内部的Gem逐渐释放出来，大大增强了Gem的生物利用度。此外，DNA水凝胶的降解导致miRNA-21的显著消耗和沉默，导致肿瘤抑制基因PTEN和PDCD4的表达增强，从而促进细胞凋亡，实现基因/化疗协同治疗。最后，通过设计不同的DNA序列，理论上有可能合成响应任何miRNA的DNA水凝胶结构从而可以设计不同的miRNA靶向治疗系统。