DNA纳米材料的生物学应用:目前的挑战和未来的方向

在DNA纳米技术的推动下，DNA作为一种遗传材料，已被应用于组织再生、疾病预防、炎症抑制、生物成像、生物传感、诊断、抗肿瘤药物传递和治疗等不同科学领域。随着DNA纳米技术的快速发展，基于经典的Watson Crick碱基对设计出了多种不同形状和大小的DNA纳米材料，用于分子的自组装。一些DNA物质可以功能性地改变细胞的生物学行为，如细胞迁移、细胞增殖、细胞分化、自噬和抗炎作用等。一些单链dna (ssdna)或自配对二级结构的rna，命名适配体，具有靶向能力，通过指数富集配体系统进化(SELEX)选择并应用于肿瘤靶向诊断和治疗。

研究了一些具有三维纳米结构和稳定结构的DNA纳米材料作为药物载体系统，用于递送多种抗肿瘤药物或基因治疗药物。而功能性DNA纳米结构促进了DNA纳米技术的发展与创新策略,设计和制备,也被证明与巨大的潜力在生物和医学的使用,仍有很长的路要走的最终的DNA材料在现实生活中的应用。本文综述了各种DNA纳米材料的结构发展历史，介绍了不同DNA纳米材料的原理，总结了它们在不同领域的生物学应用。并讨论了当前的挑战和进一步的方向，可能有助于实现其未来的应用。

图片来源：https://doi.org/10.1038/s41392-021-00727-9

DNA作为一种共同的生物分子和不同生物的基本遗传物质，用于保存遗传信息。DNA材料具有沃森克里克碱基对的高精度和高可控性等特点，具有纳米化的潜力。20世纪80年代，Seeman等人首次提出了DNA纳米结构的合成规则，引发了DNA纳米技术多年的蓬勃发展。在接下来的几十年里，DNA纳米结构技术得到了迅速的发展和完善，各种DNA纳米结构被设计成具有共性的高分子材料并被广泛应用，形成了在化学和生物材料领域具有特定用途的复杂纳米颗粒。

DNA是所有生命系统中遗传信息的载体和传递体，由四种不同的脱氧核苷酸单体组成。每个单体由一个磷酸基、一个脱氧核糖和四种含氮的碱基之一组成，而这些碱基包括胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(a)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)。在单体之间，磷酸基和脱氧核糖形成磷酸二酯键，将一定数量的单体连接成一条DNA链，称为单链DNA (ssDNA)。基于沃森克里克碱基配对原理，连续的ssDNA可以与另一个DNA以反平行方向配对，形成双螺旋DNA结构，即双链DNA (dsDNA)。在两条聚合链之间，C和G的碱基可以形成3个氢键，A和T的碱基可以形成2个氢键，从而在dsDNA内部形成与一定的互补ssDNA的碱基对。

尽管DNA分子是由简单的单元组成的，但通过精确的设计和自由定义的结构可以实现dsDNA的多样性和结构的可编程性。在人工合成的dsdna中，四种单体的数量和顺序都是按照设计精确排列的，这就决定了dsdna的多样性。自由定义的DNA构成是基于序列特异性的碱基攻击相互作用，这是由外部条件和DNA双链序列共同决定的。

随着纳米技术的快速发展和对DNA纳米结构的管理，各种可设计的原理和丰富的基于DNA的刚性标题被用于制备各种尺寸结构，形成合理组装的纳米颗粒模板或生物分子支架，如瓦片组装、折纸结构，动态纳米力学系统。由于DNA材料固有的生物相容性和生物降解性，各种基于DNA的结构和功能材料已被报道，在不同的领域有许多潜在的生物用途。随后，DNA纳米技术和纳米材料在DNA材料科学和工程方面的兴趣不断增加，特别是随着DNA纳米技术在生物、化学或医学相关用途的需求不断增长而引发的发展。

DNA纳米材料具有多种结构，包括二维和三维(2D和3D)结构。此外，根据功能DNA材料分子结构的不同，人工合成的DNA纳米结构有单层纳米结构和多层纳米结构，也可分为线状、圆形和分枝状纳米结构。DNA折纸技术使DNA的制备变得容易，也促进了DNA结构纳米技术的爆炸性发展。DNA纳米技术的先进发展孕育了各种广泛应用的新型DNA纳米材料，包括组织工程、免疫工程、药物递送、疾病诊断，以及作为分子生物学工具或生物传感器。

然而，在治疗应用方面，一些多功能高分子DNA纳米材料仍然存在易代谢、缺乏靶向性和不稳定性等缺点。因此，DNA纳米材料与其他纳米粒子和超聚合物化合物的组合，如金纳米粒子(AuNPs)、聚乙烯亚胺(PEI)、壳聚糖和聚l -赖氨酸(PLL)，也被开发来克服这些局限性。

基于dna的纳米结构在生物成像和诊断中的应用。

图片来源：https://doi.org/10.1038/s41392-021-00727-9

总之，由于结构的灵活性，多种形式的定制dna基纳米结构被创造出来。本文讨论的一些创新成果为dna纳米结构在生物医学领域的发展提供了有价值的方向。在生物性能方面，获得的纳米结构在组织工程和再生方面进行了探索。

作为一种高效的药物传递系统，它们可以作为组装模板生成药物修饰的纳米器件，执行合理设计的行为，包括肿瘤治疗、MDR逆转、免疫治疗和生物传感。虽然研究和分析多在体外进行，各方面的生物学效应都令人鼓舞，但在体内的研究至关重要，在实现dna纳米结构的最终临床应用之前，需要对观察到的效应进行确认，评估副作用，并进行综合评价。（生物谷 Bioon.com）

参考文献

Wenjuan Ma et al. The biological applications of DNA nanomaterials: current challenges and future directions. Signal Transduct Target Ther 2021 Oct 8;6(1):351. doi: 10.1038/s41392-021-00727-9.