基于microRNA‑21响应的Zn2+/DNA自组装体用于肿瘤的检测和氧化应激治疗

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230263

摘要/Abstract

摘要：

DNA材料具有的特异性、可编程性和生物相容性，使得其在生物检测和药物递送方面具有很大的应用优势。为了进一步拓展DNA材料的应用和合成方法，本文报道了利用DNA与金属离子之间的配合作用，简单高效地制备具有肿瘤标志物microRNA-21（miR-21）响应性的Zn²⁺/DNA自组装纳米粒子（ZDNPs）。通过粒子中DNA发卡结构与miR-21的特异性互补，激活荧光信号并释放Zn²⁺，导致细胞内产生大量活性氧，从而用于肿瘤的荧光成像和氧化应激治疗。合成的ZDNPs为形状均匀的球形粒子，能有效对Zn²⁺进行装载。通过ZDNPs对miR-21的响应性实验，验证了ZDNPs与miR-21浓度之间具有良好的线性响应荧光信号，线性响应范围在5~160 nmol/L，检测限为5 nmol/L，且具备特异性。此外，本文对ZDNPs在细胞内的作用效果也进行了研究，结果表明其能在肿瘤细胞内进行响应性的荧光成像，并能通过氧化应激途径介导肿瘤细胞凋亡。在活体的荧光成像和肿瘤治疗中，ZDNPs在肿瘤病灶部位体现出特异性和持续性的示踪能力，并且对肿瘤产生了明显的生长抑制效果。

关键词: DNA发卡, 锌离子, microRNA-21, 肿瘤成像, 氧化应激治疗

Abstract:

The specificity， programmability and biocompatibility of DNA materials make them advantageous for applications in bio-detection and drug delivery. To further expand the applications and synthesis methods of DNA materials， in this study， Zn²⁺/DNA self-assembled nanoparticles （ZDNPs） with tumor-responsive marker microRNA-21 (miR-21) are simply and efficiently synthesized by utilizing the cooperative interaction between DNA and metal ions. Through the specific complementarity of the DNA hairpin structure in ZDNPs with miR-21， the fluorescent signal is activated and Zn²⁺ is released， which result in intracellular ROS production and can be used for fluorescence imaging and oxidative stress therapy of tumor. The synthesized ZDNPs are uniformly shaped spherical particles that can effectively load Zn²⁺. Depending on the responsive experiment of ZDNPs to miR-21， it is verified that there is a good linear fluorescence response signal with specificity between ZDNPs and miR-21 concentration. The linear response range is 5~160 nmol/L， and the detection limit is 5 nmol/L. The intracellular effects of ZDNPs are also investigated， and the results show that they can perform responsive fluorescence imaging， and mediate apoptosis of tumor cells through the oxidative stress pathway. As for in vivo fluorescence imaging and tumor therapy， ZDNPs demonstrate specific and sustained tracing ability at tumor lesion sites and produce significant growth inhibition effects on tumor.

Key words: DNA hairpin, Zinc ion, microRNA-21, Tumor imaging, Oxidative stress therapy

中图分类号:

O654.9

徐昕, 李烨, 王敏, 傅章程, 齐国敏, 卢春华. 基于microRNA‑21响应的Zn²⁺/DNA自组装体用于肿瘤的检测和氧化应激治疗[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 164-174.

Xin XU, Ye LI, Min WANG, Zhang-Cheng FU, Guo-Min QI, Chun-Hua LU. Self‑Assembled MicroRNA‑21 Responsive Zn²⁺/DNA Nanoparticles for Tumor Fluorescence Imaging and Oxidative Stress Therapy[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(1): 164-174.

图/表 14

图 1 ZDNPs的合成示意图以及在肿瘤中的miR-21响应性荧光成像和氧化应激治疗

Fig.1 Schematic illustration of ZDNPs synthesis process and miR-21 responsive fluorescence imaging and oxidative stress therapy of ZDNPs in tumor

表1 实验中所用的DNA序列

Table 1 DNA sequences in this study

No.	Name	Sequences
1	Hairpin	5′?TCAGCATCAGTCTGATAAGCAACATTGGATGCTGA?3′
2	Hairpin?FL	5′?Cy5?TCAGCATCAGTCTGATAAGCAACATTGGATGCTGA?BHQ2?3′
3	Random DNA	5′?TCAGCATCGTGAATCTACGAAACATTGGATGCTGA?3′
4	miR?21	5′?TAGCTTATCAGACTGATGTTGA?3′
5	let?7a	5′?TGAGGTAGTAGGTTGTATAGTT?3′
6	miRNA?429 （miR-429）	5′?GTCTTACCAGACAAAGTTAGA?3′
7	miRNA?144 （miR-144）	5′?GGATATCATCATATACTGTAAG?3′
8	miRNA?155 （miR-155）	5′?TTAATGCTAATCGTGATAGGGGTT?3′

图 2 DNA发卡对不同浓度miR-21的响应性（A）；不同浓度的miR-21与荧光强度的线性关系（B）

Fig.2 Responsiveness of DNA hairpin to different concentrations of miR-21 （A）； Linear relationship between different concentrations of miR-21 and fluorescence intensity （B）

图 3 ZDNPs的TEM图像和粒径分布图（A）及ZDNPs在PBS中的粒径变化（B）

Fig.3 TEM image and particle size distribution of ZDNPs （A） and particle size changes of ZDNPs in PBS （B）

图4 ZDNPs对不同浓度miR-21的响应性（A）；不同浓度的miR-21与荧光强度的线性关系（B）

Fig.4 Responsiveness of ZDNPs to different concentrations of miR-21 （A）； Linear relationship between different concentrations of miR-21 and fluorescence intensity （B）

图 5 ZDNPs对miR-21的选择性

Fig.5 Selectivity of ZDNPs to miR-21

图 6 ZDNPs对L02和MCF-7的miR-21响应性成像

Fig.6 MiR-21 response imaging of ZDNPs in L02 and MCF-7

图 7 ZDNPs对L02和MCF-7的细胞毒性实验

Fig.7 Cytotoxicity assay of ZDNPs to L02 and MCF-7

图 8 ZDNPs在MCF-7细胞内产生ROS的共聚焦荧光图。比例尺为100 μm

Fig.8 Confocal fluorescence images of ROS production by ZDNPs in MCF-7 cells. Scale bar indicates 100 μm

图 9 ZDNPs和Random在荷瘤小鼠体内不同时刻的荧光成像。比例尺为15 mm

Fig.9 Fluorescence imaging of ZDNPs and Random at different time in tumor-bearing mice.Scale bar indicates 15 mm

图 10 不同治疗组小鼠的肿瘤生长曲线

Fig.10 Tumor growth curves of mice in different treatment groups

图 11 不同治疗组小鼠在第14天的肿瘤图片

Fig.11 Tumor photos of mice in different treatment groups at day 14

图 12 不同治疗组小鼠的体重变化曲线

Fig.12 Body weight curves of mice in different treatment groups

图 13 不同治疗组小鼠在第14天的主要器官和肿瘤切片。比例尺为200 μm

Fig.13 Major organs and tumor sections of mice in different treatment groups at day 14. Scale bar indicates 200 μm

参考文献 20

1	OUYANG T， LIU Z， HAN Z， et al. MicroRNA detection specificity： recent advances and future perspective［J］. Anal Chem， 2019， 91（5）： 3179-3186.
2	CHENG Y， DONG L， ZHANG J， et al. Recent advances in microRNA detection［J］. Analyst， 2018， 143（8）： 1758-1774.
3	DENG W， ZHANG X， MA Z， et al. MicroRNA-125b-5p mediates post-transcriptional regulation of hepatitis B virus replication via the LIN28B/let-7 axis［J］. RNA Biol， 2017， 14（10）： 1389-1398.
4	ABDULLAH AL-MASKRI A A， YE J， TALAP J， et al. Reverse transcription-based loop-mediated isothermal amplification strategy for real-time miRNA detection with phosphorothioated probes［J］. Anal Chim Acta， 2020， 1126： 1-6.
5	LIU J， CAO Z， LU Y. Functional nucleic acid sensors［J］. Chem Rev， 2009， 109（5）： 1948-1998.
6	LI Y， DENG J， HAN Z， et al. Molecular identification of tumor-derived extracellular vesicles using thermophoresis-mediated DNA computation［J］. J Am Chem Soc， 2021， 143（3）： 1290-1295.
7	AUGSPURGER E E， RANA M， YIGIT M V. Chemical and biological sensing using hybridization chain reaction［J］. ACS Sens， 2018， 3（5）： 878-902.
8	LIU J， ZHANG Y， XIE H， et al. Applications of catalytic hairpin assembly reaction in biosensing［J］. Small， 2019， 15（42）： e1902989.
9	WANG J， SUN Y， LAU C， et al. Target-fueled catalytic hairpin assembly for sensitive and multiplex microRNA detection［J］. Anal Bioanal Chem， 2020， 412（13）： 3019-3027.
10	WANG D X， WANG J， WANG Y X， et al. DNA nanostructure-based nucleic acid probes： construction and biological applications［J］. Chem Sci， 2021， 12（22）： 7602-7622.
11	WALIA S， CHANDRASEKARAN A R， CHAKRABORTY B， et al. Aptamer-programmed DNA nanodevices for advanced， targeted cancer theranostics［J］. ACS Appl Bio Mater， 2021， 4（7）： 5392-5404.
12	YU W， XUAN C， LIU B， et al. Carrier-free programmed spherical nucleic acid for effective ischemic stroke therapy via self-delivery antisense oligonucleotide［J］. Nano Res， 2022， 16（1）： 735-745.
13	LI J， ZHENG C， CANSIZ S， et al. Self-assembly of DNA nanohydrogels with controllable size and stimuli-responsive property for targeted gene regulation therapy［J］. J Am Chem Soc， 2015， 137（4）： 1412-1415.
14	LI X， YANG Y， ZHAO H， et al. Enhanced in vivo blood-brain barrier penetration by circular Tau-transferrin receptor bifunctional aptamer for tauopathy therapy［J］. J Am Chem Soc， 2020， 142（8）： 3862-3872.
15	NGOEPE M P， CLAYTON H S. Metal complexes as DNA synthesis and/or repair inhibitors： anticancer and antimicrobial agents［J］. Pharm Fronts， 2021， 3（4）： e164-e182.
16	LI M， WANG C， DI Z， et al. Engineering multifunctional DNA hybrid nanospheres through coordination-driven self-assembly［J］. Angew Chem Int Ed， 2019， 58（5）： 1350-1354.
17	ZHOU J， HAN H， LIU J. Nucleobase， nucleoside， nucleotide， and oligonucleotide coordinated metal ions for sensing and biomedicine applications［J］. Nano Res， 2021， 15（1）： 71-84.
18	WANG J， WANG H， WANG H， et al. Nonviolent self-catabolic DNAzyme nanosponges for smart anticancer drug delivery［J］. ACS Nano， 2019， 13（5）： 5852-5863.
19	BISHOP G M， DRINGEN R， ROBINSON S R. Zinc stimulates the production of toxic reactive oxygen species （ROS） and inhibits glutathione reductase in astrocytes［J］. Free Radical Bio Med， 2007， 42（8）： 1222-1230.
20	HUBNER C， HAASE H. Interactions of zinc- and redox-signaling pathways［J］. Redox Biol， 2021， 41： 101916.

[1]	苏策, 常开善, 李思良, 李冠斌, 张红博, 白玲玲. 一种香豆素类锌离子荧光探针的合成及性能[J]. 应用化学, 2018, 35(5): 532-537.
[2]	卜露露,王晴,解永树. 锌离子荧光探针研究进展[J]. 应用化学, 2017, 34(12): 1355-1369.
[3]	田大听. 用甲基丙烯酸十二酯/丙烯酸共聚物作乳状液膜稳定剂迁移锌(Ⅱ)[J]. 应用化学, 2003, 20(12): 1180-1183.
[4]	何鼎胜, 马铭, 曾鑫华, 谢青季. 二-(2-乙基己基)磷酸-煤油液膜萃取锌(Ⅱ)的动力学分析[J]. 应用化学, 2000, 17(1): 47-50.
[5]	吴智远, 杜米芳, 杨汉西, 李升宪, 范玉章. 锌离子在λ-MnO₂中的电化学嵌入[J]. 应用化学, 1992, 0(2): 99-101.

基于microRNA‑21响应的Zn²⁺/DNA自组装体用于肿瘤的检测和氧化应激治疗

Self‑Assembled MicroRNA‑21 Responsive Zn²⁺/DNA Nanoparticles for Tumor Fluorescence Imaging and Oxidative Stress Therapy

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