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圖1. USD納米系統的合成過程及其在時空控制基因沉默和氣體協同癌癥治療中的應用示意圖。

本工作開發了最終一種智能納米平臺（USD），它結合了NIR光觸發的NO釋放和APE1誘導的治療性DNAzymes激活，實現了時空特異性的氣體-基因協同治療（圖1）。該納米平臺由三個不同的部分組成：1)UCNPs作為光傳感器；2)S-亞硝基-乙酰青霉胺（SNAP）作為NO供體；3)基于DNAzymes的AP-Dz作為APE1激活的基因沉默單元。具體來說，AP-Dz是通過DNAzymes與AP鏈雜交建立的，其中DNAzymes可以靶向并切割靶標生存蛋白（survivin mRNA），而AP鏈（包含兩個apurinic/apyrimidinic（AP）位點）通過與DNAzymes雜交抑制其基因治療活性。當納米系統在腫瘤部位積累后，NIR光照射使能量從UCNPs轉移到SNAP而產生NO，導致DNA損傷實現NO氣體治療。此外，在腫瘤細胞質中過表達的APE1可以誘導AP-Dz在AP位點的裂解，恢復DNAzymes的基因治療活性。值得注意的是，NO介導APE1從細胞核到細胞質的易位提高了DNAzymes的激活效率，從而提高基因沉默效果。總之，NIR觸發的級聯效應納米系統提高了基因沉默的準確性和治療效率，顯示了基因-氣體協同治療的潛力。

圖2 溶液相實驗.

作者首先對USD響應相關性能進行了驗證（圖2）。溶液相熒光實驗證明，AP-Dz對APE1酶具有良好的響應性能，且當將靶標mRNA，AP-Dz和APE1酶共孵育時，DNAzymes表現出高效的mRNA切割能力。由于該納米平臺中UCNPs在NIR照射下的發射光譜與NO供體的吸收光譜存在明顯重疊，作者探究了NIR照射下該納米平臺的NO釋放能力。實驗結果顯示，隨著NIR照射時間的延長，溶液中NO濃度不斷提高，顯示出該納米平臺產生NO的能力。

圖3 細胞內NO產生與APE1響應驗證.

隨后作者在細胞水平考察了該納米系統的NO產生能力（圖3），共聚焦實驗證明USD在NIR照射下有效產生NO，而黑暗條件下NO產生水平幾乎可以忽略。通過蛋白免疫印記（WB）實驗，作者驗證了該納米系統在NIR照射下引起了HeLa細胞細胞質中APE1表達水平的上調，并通過共聚焦實驗驗證了AP-Dz在細胞中對APE1的響應能力。共聚焦圖片顯示，相對于nAP-USD和nAP-USD+NIR組，USD處理組的HeLa細胞顯示出增強的紅色熒光信號，證明了AP-Dz響應于腫瘤細胞質中高表達的APE1酶后釋放DNAzymes。特別強調的是，USD+NIR處理組的HeLa細胞顯示出更強的的熒光信號，這是由于NIR激發USD產生NO，NO引起細胞質中APE1水平的升高，增強了AP-Dz的激活效果。

進一步對USD的基因沉默和NIR光控NO釋放在細胞內治療效果進行了探究（圖4）。實時熒光定量PCR（qRT-PCR）和蛋白免疫印記（WB）實驗證實，NIR激發的級聯效應將有效提高靶標蛋白的沉默效果。另外，細胞毒性與活死染色實驗證明，NO也將直接參與腫瘤殺傷，最終實現基因-氣體協同抗腫瘤效果。

除此之外，小鼠宮頸癌腫瘤模型實驗證實，該納米系統在NIR激發下展現出良好的協同抗腫瘤能力（圖5），突顯了該納米平臺在精準、高效抗腫瘤中的應用潛力，也為DNAzymes在疾病精準治療中的應用提供了參考范例。

本工作開發了一種NIR觸發的級聯效應納米系統，用于時空精確可控的基因沉默和氣體-基因協同癌癥治療。在這個納米系統中，UCNPs作為光轉換器，在NIR光下產生NO來介導氣體治療。同時，產生的NO誘導了APE1的亞細胞重定位，從而提高了DNAzymes的激活效率。這種NIR觸發的級聯效應允許時空控制的基因沉默和基因-氣體協同治療，在體外和體內實現增強的抗癌效果。

論文第一作者為深圳大學博士后程亞如，通訊作者為深圳大學醫學部生物醫學工程學院董海峰教授。本工作得到了國家重大研究計劃項目，國家自然科學基金，深圳市醫學研究專項資金項目，廣東省珠江團隊項目和中國博士后科學基等項目的資助。

董海峰，國家優青，深圳大學特聘教授/博導，深圳大學發展規劃部副主任兼學科建設辦公室主任，校學術委員會委員，深圳市納米生物傳感技術重點實驗室副主任。主要從事生物分子傳感及納米藥物分析研究。2010年以來，在Chem. Rev., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater.等雜志發表SCI論文167篇，論文被引用12000余次。出版中英文專著2本，主編英文專著1本。2020-2023年科睿唯安全球高被引科學家，入選斯坦福大學“2020-2022全球前2頂尖科學家”名單及終生榜單。主要研究方向：生物傳感、microRNA分析檢測、納米診療。