导读
RNA参与疾病发展的关键过程，并已成为强大的治疗靶点和诊断生物标志物。然而，有效地将治疗性RNA输送到靶位置并准确检测RNA标志物仍然是具有挑战性的。近年来，核酸纳米组装体在诊断和治疗中的应用越来越受到重视。由于核酸的柔韧性和可变形性，可以制备出不同形状和结构的纳米组件。通过杂交，核酸纳米组件，包括DNA和RNA纳米结构，可以应用于增强RNA治疗和诊断。本文简要介绍了不同的核酸纳米组装体的结构、性质及其在RNA治疗和诊断中的应用，并对其发展前景进行了展望。
论文ID
题目：Nucleic acid nanoassembly-enhanced RNA therapeutics and diagnosis
译名：核酸纳米组装增强的RNA治疗与诊断
期刊：Acta Pharmaceutica Sinica B
IF：14.903
发表时间：2023.3
通讯作者单位:成都中医药大学
DOI号：https://doi.org/10.1016/j.apsb.2022.10.019
主要内容
由于在疾病的发生和发展中发挥了众多作用，RNA已成为治疗和诊断的有前途的候选分子。RNA疗法是最好的治疗策略之一，因为它以特定序列的方式针对致病基因，使各种危及生命的疾病能够进行更精确和个性化的治疗。通过将特定的核酸序列引入所需的组织，可以下调、增强或纠正基因表达。小干扰RNA(SiRNA)、微RNA(MiRNA)和反义寡核苷酸(ASO)是基因抑制的代表性分子，而信使RNA(MRNA)和CRISPR(簇状规则间隔短回文重复序列)/Cas(CRISPR相关蛋白)系统通常用于增加或纠正靶基因的表达。目前，少数基于RNA的疗法得到了美国食品和药物管理局(FDA)和/或欧洲药品管理局(EMA)的批准，旨在通过使用siRNA或ASOS进行基因修饰来治疗各种疾病。
除了RNA治疗外，非编码RNA(NcRNAs)，包括环状RNA(CircRNA)、miRNA和长非编码RNA(LncRNA)，已被认为是有希望的诊断生物标志物。在这些ncRNAs中，miRNAs能够结合到RNA诱导沉默复合体(RISC)中，随后下调或降解mRNA，从而影响许多蛋白质编码基因的输出。几种miRNAs已被用作多种疾病的监测指标，如癌症和冠状动脉疾病。
研究人员已经做出了重大努力，以最大限度地发挥RNA的治疗和诊断效力。目前，由脂类、聚合物、多肽和外切体组成的纳米材料已经被研究用于RNA递送。考虑到这些材料的细胞毒性和免疫反应，核酸纳米组装体具有更好的生物相容性、结构可编程性和易于修饰的特点，作为核酸药物的载体受到了广泛的关注。与聚合物或脂类纳米材料不同，核酸纳米材料可以被固有的核酸酶降解，从而避免了输送载体的毒性。核酸纳米组装通常是通过自下而上的构造来制造的，设计者精确地控制着每一种性质和沿途的步骤。从理论上讲，研究人员通过核酸序列组装任何所需的结构。有序的结构和高的稳定性也提高了识别效率，减少了RNA在生物传感平台上的非特异性吸附。近年来，对核酸纳米组件在生物医学领域的应用进展进行了较为详细的综述。本文将重点介绍近年来利用DNA和RNA纳米组件进行基于RNA的治疗和诊断策略方面具有代表性和启发性的工作。
核酸纳米组装--增强型核糖核酸治疗
核酸纳米组装的出现
利用DNA和RNA纳米技术制造的核酸纳米组件，长期以来一直受到开发高效药物递送系统、分子生物学工具和用于疾病诊断的纳米设备的目标的推动。回顾历史，核酸纳米技术的概念是在20世纪80年代初提出的，当时塞曼开创了基于DNA可编程自组装原理的先进DNA纳米技术在材料科学中的应用。他提出，DNA可以用作构建分支连接的材料。该研究小组通过在分支DNA分子上添加粘性末端，从DNA中构建了一个闭合的多面体物体。从那时起，短的单链DNA已经制造了各种DNA瓷砖，如双交叉、三交叉和三点星结构。
结构核酸纳米组装
DNA纳米组装在早期形成为DNA连接和晶格。常用的Y形DNA被构建为几种DNA结构的组成部分，如DNA树状大分子、DNA条形码和DNA水凝胶。DNA折纸技术，指的是一个长的单链DNA支架(通常是噬菌体M13)，与数百个互补的短链DNA(通常是20e60bp)配对，通过编程折叠成一定形状和不同尺寸的纳米组件，如正方形、长方形、星形、圆盘、三角形、笑脸和线框。有研究人员用这项技术折叠了中国的地图，这也是第一个用DNA折纸构建的不对称纳米图案。由于DNA折纸具有许多单链DNA的交叉结构，其弹性模量大约是单个DNA的几倍，显著增加了内部结构的稳定性和韧性，为其在各个领域的应用奠定了坚实的基础。
早期DNA折纸合成的结构比较简单，但经过科学家们的不断努力，DNA折纸在短短十几年内得到了快速发展。已经组装了许多具有2D、3D甚至曲面的复杂结构。严、刘、韩和他的同事提出了一种方法，通过DNA折纸折叠技术在3D空间中构建具有复杂曲面的DNA纳米结构。然而，制造和操纵越来越长的脚手架链来建造更大的DNA折纸结构仍然具有挑战性。Ong等人。提出了一种替代战略，涉及组装DNA砖而不需要脚手架。每块砖由四个短的结合结构域组成，这些结构域排列成互锁。他们还组装了一个可用于3D雕刻的长方体，从而能够创造出像泰迪熊一样的形状。
核酸纳米组装体的发现和主要进展
研究人员采用自下而上的自组装方法合成了各种形状和尺寸的3D DNA纳米结构。三维DNA纳米结构，如立方体、四面体、八面体，都是由具有独特序列的DNA链组成的。Chen和Seeman是第一个以DNA为原料制造自组装立方体纳米结构的人。然而，其制备过程繁琐，需要进行DNA链环化、酶连接、纯化等多个反应。
后来，Sleiman和他的同事以定量的产量构建了三角形、立方体、五聚体、六面体棱镜、异向棱镜和双棱镜组件。合成大量独特的DNA链来构建大型结构是结构设计中的一个巨大挑战。他等人。演示了通过一锅自组装过程来解决这个问题的简单方法。粘性末端的三点星图案首先是由单个单链DNA组装而成的。三点星基序由一个长的重复中心链、三个相同的中链和三个相同的短外围链组成。然后，通过瓷砖之间的粘端关联，将瓷砖进一步组装成多面体。他们以两端粘性的对称三角星瓷砖为基本结构单元，构建了四面体、十二面体、巴克球等多种DNA多面体结构。
3D DNA多面体
核酸纳米组装体的性质和优势
核酸已被广泛探索以开发各种精致的纳米组装。与其他药物输送系统不同，核酸纳米组装体表现出良好的可编程性、生物相容性和生物降解性。可编程性允许精确设计具有可控形状、大小和功能的核酸纳米组件。当特定的靶向配体功能化时，核酸纳米结构显示出有效的细胞内化和对某些分子和膜信号的识别。此外，使用核酸纳米组件作为治疗药物的载体，可以实现多功能有效载荷、可控的药理学特征和高检测率。这些优点使其成为生物医学研究和临床诊断的理想载体和探针。在这一部分中，我们总结和讨论了核酸纳米组装的基本性质和优势。
总结
有效地将治疗性基因输送到靶组织仍然是实现有效的以基因为基础的药物的重要障碍。随着近十年来纳米技术的快速发展，独特的基因传递系统已经成为可能。脂质体经常被用来运送DNA或RNA等核货物，以达到治疗的目的。有报道称，带相反电荷的阳离子脂质体作为基因载体优于中性或阴离子脂质体。然而，阳离子脂质体表现出剂量依赖性毒性。由于具有良好的生物相容性、可降解性和可控性，具有多种功能的核酸纳米组装材料在生物医学领域具有巨大的应用潜力。可以在以下领域开展进一步的研究，以拓宽核酸纳米组装研究的深度和广度。
在载体表面修饰具有长循环特性的官能团，如聚乙二醇(PEGO)，这是其他药物传递系统中经常使用的，可能是改善药物动力学的有效方法。一些靶向配体，如抗体、适配子和多肽，可以偶联到纳米结构的表面，这可能有助于特定组织的积累。此外，早期的探索发现，一些核酸纳米组件主要通过内吞机制进入细胞。对于所有基于核酸的材料来说，情况可能并不都是一样的。各种因素，如纳米组件的形状和表面修饰对生物系统的影响仍不清楚。要了解它们的作用机制，还需要进一步的研究和探索。
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https://doi.org/10.1016/j.apsb.2022.10.019
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