Angew. Chem. Int. Ed.| 联合癌症治疗:利用工程DNAzyme分子机器进行动态细胞间和细胞内调节
联合治疗很有希望一种典型的联合治疗策略是将免疫治疗与纳米粒给药相结合，在提高细胞内药物浓度的同时诱导免疫杀伤癌细胞然而，一些联合治疗方法的治疗效果仍未达到医疗一线的疗效，尤其是基于T细胞的方法，这主要是由于在T细胞与癌细胞间特异性连接的靶向剂设计上的局限性。这是因为靶向药物通常采用较大的天然或人工结构，可能会影响给药效率，影响免疫应答。
此外，以往的大多数研究只能控制T细胞和癌细胞的识别，尽管T细胞与被治疗的癌细胞的可调分离是癌症免疫治疗的必要条件因此，尽管这一领域已经取得了一些进展，但设计一种有效的策略来实现T细胞与癌细胞之间的细胞-细胞相互作用的动态调控，包括细胞识别、细胞-细胞接近和治疗后分离，仍然是一个挑战。此外，对于细胞内治疗，重要的是减少药物对正常细胞的副作用。有文献充分证明活性氧(ROS)的产生增加可以起到抗癌作用，最近的一些研究发现，线粒体聚集可以产生过多的ROS，导致癌细胞死亡虽然这些方法已被证明可以改善肿瘤细胞凋亡，但它们对正常细胞的任意攻击尚未得到解决。
近日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的陆艺教授团队在Angewandte Chemie上发表题为“Combination Cancer Treatment: Using Engineered DNAzyme Molecular Machines for Dynamic Inter- and Intracellular Regulation”的研究论文。
doi.org/10.1002/ange.202210935
报告一种基于分子机器的联合治疗策略，结合工程DNAzymes和DNA适配体，从细胞外控制T细胞/癌细胞相互作用和细胞内控制线粒体聚集两方面诱导癌症凋亡。
工作原理示意图
如方案1所示，为了外部调控t细胞和癌细胞之间的细胞相互作用，在5’端用双脂质尾修饰Zn2+特异性DNAzyme (chain-1)，使底物链通过疏水相互作用自发插入活细胞表面。此外，在脂质尾部和DNAzyme部分之间插入一个i-motif序列，使pH敏感的结构转变能够调节连接细胞之间的距离相应的底物(chain-2)在5’端被适配体修饰，用于特异性连接在癌细胞表面过表达的MUC-1蛋白链-1和链-2的3’端用荧光标记(Alexa Fluor 488 (af488))标记链-1和羧基四甲基罗丹明(TAMRA标记链-2)。AF 488和TAMRA在酸性pH下稳定，有利于肿瘤酸性微环境下实时荧光追踪为了监测t细胞和癌细胞之间的距离，在t细胞表面连接一根在3’端有脂质锚定(chain-3)的i-motif互补链，并与chain-1的i-motif部分杂交。
相应的TAMRA淬火剂BHQ2被标记在链-3的5’端。细胞间的距离可以通过TAMRA与BHQ2之间的猝灭效应的效率来揭示通过这三条DNA链的杂交，获得了一个DNAzyme分子机器，可以精确调控T细胞和癌细胞之间的细胞-细胞相互作用，实现癌细胞识别、T细胞/癌细胞接近和治疗后分离。采用适配体、i-motif和FRET对设计的DNAzyme分子机器能够感应并响应肿瘤微环境利用肿瘤标记物MUC-1作为靶蛋白，适配体序列可对癌细胞进行特异性识别。其次，肿瘤酸性微环境触发i-motif序列由直链向折叠结构的转化，缩短癌细胞与T细胞的距离，诱导癌细胞杀伤。然后通过金属离子(Zn2+)激活的DNAzyme裂解释放T细胞，使T细胞快速从治疗过的癌细胞中释放出来。在整个外部调节过程中，通过监测TAMRA的荧光强度，可以得到细胞与细胞的距离。在弱碱性pH值下，i-motif序列保持直线，使TAMRA更接近于被其淬火器淬火。当pH值为酸性时，i-motif折叠，导致TAMRA从猝灭剂中释放。
为了进一步实现细胞内线粒体的内部调控，将Zn2+特异性DNAzyme的酶链和底物链分别包裹在脂质体中，DNAzyme (chain-4)和底物链(chain-5)都用5’端线粒体定位肽尾巴修饰，实现线粒体靶向。分离的线粒体开始相互连接，形成大量的线粒体聚集，使细胞内ROS产生过剩，从而促进癌细胞死亡。线粒体的分解可以通过Zn2+离子介导的底物裂解来控制。因此，一个DNAzyme分子机器可以实现对线粒体行为的动态控制。与缺锌的癌细胞相比，缺锌可以减少底物的裂解，从而有利于这两条链的杂交。
体内不同步骤状态的验证。
DNAzyme控制的T细胞球体移动。
体内治疗的验证。
联合治疗效果。
在这项研究中，开发了一种基于分子机器的联合癌症治疗方法，结合工程DNAzymes和DNA适配体，从T细胞/癌细胞相互作用的细胞间调节和线粒体聚集的细胞内调节两方面诱导癌细胞凋亡。与传统的通过大型自然或人工结构识别T细胞和癌细胞相比，该策略的一个主要优势是T细胞/癌细胞相互作用的动态调节。为了实现细胞间的外调节，设计了一种基于适配体和i-motif的DNAzyme分子机器来检测和响应酸性肿瘤微环境。利用肿瘤标记物MUC-1作为靶蛋白，适配体可对肿瘤细胞特异性识别MUC-1。癌细胞的酸性微环境触发i-motif序列的折叠，缩短细胞间距离，诱导癌细胞的杀伤。因此，T细胞可以通过金属离子激活的DNAzyme裂解释放。该策略的另一个优势是对癌细胞中线粒体聚集的内部控制。
编辑：王本初
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