专题文献速递 | DNA折纸技术用以疾病治疗和开发新型疫苗

背景

2024年4月发表在Nature materials上的“A DNA origami device spatially controls CD95 signalling to induce immune tolerance in rheumatoid arthritis”， 探索了DNA折纸技术在自身免疫疾病治疗中的应用，通过DNA折纸实现了空间控制CD95信号通路来诱导免疫耐受，为类风湿性关节炎等慢性炎症性疾病的治疗提供了新的策略。

类风湿性关节炎（Rheumatoid Arthritis, RA）是一种影响多关节的系统性自身免疫疾病。尽管新的治疗方法快速发展，但大多数RA患者尚未实现长期疾病缓解且无严重副作用。DNA纳米结构由于其精确的可定位性和可寻址性，常用于排列蛋白质等受体配体，来实现对细胞通路的精确调控。研究者利用DNA折纸的可重构性，在折纸边缘加入i-motif，实现pH变化下从闭合状态转变为开放状态。DNA折纸在中性条件下保持闭合状态，以保护内部的CD95L配体阵列。在pH降低至约6.5的酸性环境下，设备转变为开放状态，暴露内部的CD95L配体阵列，从而激活CD95信号通路以诱导免疫细胞凋亡。

在胶原诱导的关节炎（Collagen-Induced Arthritis, CIA）小鼠模型中，DNA折纸能够选择性地激活炎症滑膜组织中的CD95死亡诱导信号，诱导免疫细胞凋亡，从而减轻关节炎症和损伤。

原文连接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01865-5

除了类风湿性关节炎这种慢性炎症性疾病，还有一些研究者利用DNA折纸的展开和关闭，实现了对血栓的精准治疗。同期也有一篇发表于Nature Materials的文章：“An intelligent DNA nanodevice for precision thrombolysis” 开发了一种智能DNA纳米装置，用于精确输送和准确剂量的组织型纤溶酶原激活剂（tPA），以提高溶栓治疗的精确性和安全性。

血栓形成是全球主要的死亡原因之一，传统的溶栓治疗由于存在高出血风险、短循环半衰期和靶向能力差等问题，限制了其疗效。与前面文章相似，作者利用DNA折纸技术，开发了一种智能DNA纳米装置，用于精确输送和准确剂量的组织型纤溶酶原激活剂（tPA），以提高溶栓治疗的精确性和安全性。作者将tPA结合位点和凝血酶响应的DNA结构整合，利用DNA折纸的可重构性，在折纸边缘加入互锁的DNA三链结构，作为凝血酶识别器、阈值控制器和开启开关。（见图3）。

当这些DNA纳米折纸携带tPA并静脉注射到体内时，它们能够快速靶向血栓形成的位置，追踪循环中的微栓，并仅在凝血酶浓度超过阈值时释放活性tPA通过精确控制tPA的装载、输送和释放，DNA纳米折纸能够维持tPA的活性，提高溶栓效率，同时减少副作用。该研究还探讨了通过调整DNA三链结构中互补碱基的数量，实现对凝血酶浓度响应范围的调节，从而实现对tPA释放的精确控制。

随后，研究团队分别在脑卒中、肺栓塞、颈动脉及腿静脉血栓模型动物中进行试验验证，实现了运载了tPA的DNA折纸在动物体内根据血栓和伤口凝块中凝血酶浓度的差异进行准确区分（血栓和正常纤维蛋白凝块），进而实现智能化给药。精准的血栓靶向和精确的给药剂量，显著降低了溶栓药物造成的凝血异常。

原文连接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01826-y

除了对特定疾病的精确化治疗之外，近来的研究也扩展了DNA折纸技术的应用范围，为疫苗开发、免疫治疗和精准医疗也提供了新的平台。近期发表在Nature nanotechnology的文章 “Fine tuning of CpG spatial distribution with DNA origami for improved cancer vaccination” 通过精细调控CpG寡核苷酸的空间分布，成功地增强了疫苗的免疫激活能力，为癌症免疫疗法提供了一种新的策略。

作者对于癌症免疫疗法的探索开始于用DNA折纸排布免疫佐剂。CpG寡核苷酸（CpGs）是一类能够激活TLR9的合成DNA片段，已被广泛研究作为疫苗佐剂以增强免疫反应。然而，CpG的效果受到其空间分布和剂量的影响，作者利用DNA折纸设计并构建了一种新型的疫苗平台（DoriVac），该平台能够精确控制CpGs在纳米尺度上的空间分布。

通过改变CpGs在DNA折纸结构上的距离（2.5, 3.5, 5.0, 和 7.0 nm），作者发现3.5 nm的间距能够诱导Th1免疫极化，这是癌症治疗中理想的免疫反应类型。同时，作者将DoriVac疫苗与抗PD-L1抗体联合使用，在黑色素瘤和淋巴瘤模型中显示出改善的癌症免疫疗法效果，并诱导了长期T细胞记忆。在体外细胞培养和体内肿瘤治疗模型中，DoriVac疫苗显示出增强的树突状细胞（DCs）激活、抗原交叉递呈、CD8 T细胞激活、Th1极化的CD4激活和自然杀伤细胞激活。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01615-3#Sec31

在此基础上，该团队还将DoriVac作为一种多功能、模块化的疫苗平台，应用到了对传染性病毒的免疫反应上。作者通过DoriVac精确地调控了抗原以及CpG佐剂地空间位置及剂量，增强了疫苗的免疫原性，实现了针对SARS-CoV-2、HIV和Ebola等病毒及其病毒变种的长期免疫保护。文献以预印本形式发布在bioRxiv上，标题为：“DNA origami vaccine (DoriVac) nanoparticles improve both humoral and cellular immune responses to infectious diseases” 。

作者基于之前的正方形块（Square Block, SQB）的DNA折纸纳米，精确排列了CpG佐剂和针对特定病原体（如SARS-CoV-2、HIV和Ebola）的高度保守的HR2肽段。HR2肽段通过DBCO-Azide点击化学，与寡核苷酸共轭物结合，再通过碱基互补配对，与SQB上的特定位置进行结合。通过共轭过程，SQB纳米折纸被赋予了同时递送CpG佐剂和疾病特异性HR2抗原的能力，这些纳米颗粒能够被抗原呈递细胞识别，进而激活B细胞和T细胞。（见图5）

通过在小鼠模型中的实验，研究者们发现DoriVac能够有效地提高中和抗体的产生，同时激活包括B细胞、树突状细胞(DCs)、CD4⁺和CD8⁺ T细胞在内的免疫细胞。特别是，DoriVac在诱导长期记忆B细胞和增强T细胞反应方面表现出显著效果。此外，通过人类淋巴结器官芯片模型的验证，DoriVac同样展示了激活人类DCs和促进炎症细胞因子分泌的能力。研究还扩展了DoriVac的应用范围，证明了其能够结合全长病毒蛋白抗原，如乙型肝炎表面抗原(HBsAg)和猴痘抗原，进一步激发针对这些抗原的CD4⁺和CD8⁺ T细胞反应。这些结果不仅证实了DoriVac作为一种多功能、模块化疫苗平台的潜力，也为未来开发针对多种传染性疾病的疫苗提供了新的方向和希望。

原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.29.573647v1