由于其独特的可编程属性和精准的分子识别能力,核酸分子已被广泛用于生物医学、环境科学和分析检测等研究领域。然而,未修饰的线性核酸在实际应用中仍然存在诸多限制。例如,容易被核酸酶降解、很难进入细胞以及在体内循环时间短等。为了增强核酸在复杂体系中的效能,在过去的二十年间,核酸纳米技术得到了长足的发展。基于核酸链杂交的原理,Seeman等人开发了可精确调控形状和大小的核酸多面体和核酸折纸结构。除此之外,核酸与无机/有机纳米材料的组合为构建多功能核酸纳米材料提供了新策略。球形核酸(spherical nucleic acid,SNA)是其中的一个典型例子。SNA是三维纳米结构,通常由共价连接到球形纳米颗粒核心表面的致密功能化和高度定向的核酸组成。值得注意的是,SNA定义了一类新的核酸,其性质明显不同于线性核酸;SNA能够将功能化的核酸链递送到细胞内并诱导基因沉默。这一技术同样可以用于检测活细胞中生物靶标的相对含量以及实现其他重要生物应用。核酸双亲化合物是疏水基团修饰的核酸的术语。众所周知,由于负电性磷酸骨架的存在,核酸分子是亲水的,因而能够分散在水溶液中。然而,疏水单元在水溶液中趋向于形成组装的结构以达到更稳定的状态,从而使得核酸双亲化合物在水溶液中多以组装体的形式存在。截止到目前,已经报道的核酸双亲化合物,根据其结构的差异可分为末端修饰的核酸双亲化合物和刷型核酸双亲化合物。此外,分子结构和组装环境的差异,影响着相应组装体的结构。组装体的结构大致可分为以下三类:分子内自组装形成核酸双链、分子间自组装形成胶束纳米颗粒以及与其他物体组装形成复合物。例如,两端修饰疏水性F碱基的DNA可以通过分子内自组装形成含F碱基双链的分子信标(molecular beacon,MB);二酰基脂质体偶联的DNA可以通过分子间自组装形成DNA胶束;脂质体与细胞膜的疏水区域之间具有强的疏水相互作用,因此,脂质体偶联的DNA可以有效地锚定在细胞膜表面;血清白蛋白含有强疏水性空腔,因此,脂质体偶联的核酸能够与血清白蛋白结合形成相应的核酸-白蛋白复合物。这些新颖的核酸纳米结构在细胞内靶标的成像、疏水性纳米材料的表面修饰、细胞膜表面功能化和化疗药物的全身性递送等方面具有良好的应用前景。尽管如此,核酸双亲化合物及其组装体在实际使用中仍存在一些亟待解决的问题。比如,F碱基双链有什么独特的性质?含F碱基双链的核酸探针能否用于细胞内靶标的成像?自组装核酸胶束的结构稳定性能否被精准调控?能否借助体内搭乘白蛋白便车的方式实现核酸药物的简便有效运输?能否选择性地使核酸锚定在特定的细胞膜表面?针对这些问题,我们开展了以下的相关研究。(1)氟化的核酸分子信标用于细胞内靶标的分子成像。MB的结构简单,且已被广泛应用于检测小分子、核酸和蛋白质等靶标。然而,用于复杂生物环境时,MB仍受到诸如结构不稳定和非目标物干扰的挑战。为了应对这些挑战,我们设计并合成了氟化的分子信标(fluorinated molecular beacon,FMB)并用于细胞内靶标的荧光成像。在FMB结构中,人造的3,5-双三氟甲基苯(F碱基)替换原有的天然碱基组成MB的茎部双链。F碱基的加入增加了整个DNA分子的疏水性,使得F碱基单链与F碱基单链之间能够通过疏水自组装形成F碱基双链并由此构建FMB。研究结果显示FMB比常规的MB具有更优越的抗核酸酶降解的能力。为了验证FMB能否用于细胞内靶标的分子成像,我们构建了AS1411连接的FMB用于成像人乳腺癌细胞(MCF-7)中的信使RNA(messenger RNA,mRNA)。实验结果表明FMB能够用于细胞内mRNA的成像。(2)光控地解离分子间G-四联体用于构建稳定性可调节的脂质体核酸胶束。脂质体核酸胶束具有制备简便、尺寸较小(<100 nm)、可编程设计和生物相容性好等特点,已被证明在监测生物事件和治疗人类疾病等领域显示出巨大的潜力。然而,它们在生物体内的最优结构稳定性受到时空变异性的限制,这影响了它们在体内的应用。为了解决这个问题,通过调控分子间G-四联体的形成与解离,我们构建了稳定性可调节的脂质体核酸胶束纳米系统。在此系统中,分子间的G-四联体交联邻近的核酸链并因此提高了核酸胶束的结构稳定性,阻止了其在血清白蛋白溶液中的解离。然而,紫外光照下,核酸链的杂交阻断了分子间G-四联体的形成,导致核酸胶束在血清白蛋白溶液中失去稳定性。此外,光照后,疏水的脂质体得以与细胞相互作用,表现出增强的被细胞摄取能力。这种稳定性可编程设计的脂质体核酸胶束系统有望推动核酸胶束的进一步应用。(3)氟尿苷组成的寡核苷酸原位靶向血清白蛋白用于癌症的化学治疗。使用亚磷酰胺化学和DNA合成技术能够将化学治疗药物自动偶联在寡核苷酸上。通过该技术所产生的寡核苷酸-药物偶联物(oligonucleotide-drug conjugates)具备分子结构明确和载荷可调节的优点。然而,在实际应用中,这些寡核苷酸的体内递送仍然面临挑战。自然界中,疏水性分子装载在血清白蛋白的疏水空腔中进行全身性运输。受此启发,我们开发了脂质体偶联的由氟尿苷组成的寡核苷酸(lipid-conjugated floxuridine homomeric oligonucleotide,LFU20)。LFU20的末端含有两个十八碳的烷基链,能够与内源性血清白蛋白进行强有力的结合。静脉注射到血液中后,LFU20随即与内源性血清白蛋白结合形成LFU20/白蛋白复合物(LFU20/albumin)。通过增强的渗透和保留(enhanced penetration and retention,EPR)作用,LFU20/albumin在肿瘤部位富集并且内化到癌细胞的溶酶体中。在溶酶体中降解后,释放氟尿苷单磷酸盐化合物。氟尿苷单磷酸盐化合物能够抑制胸腺嘧啶合成酶的活性并引发DNA损伤,从而抑制细胞的增殖。由于其具有合成简便、结构明确、有效载荷可根据需要调整及搭载内源性载体等优势,LFU20/albumin在癌症化疗中是一种具有应用前景的药物。(4)可激活的脂质体偶联核酸用于选择性锚定核酸在碱性磷酸酶高表达的细胞膜表面。由于疏水性脂质体与细胞膜的疏水区域之间物理的非选择性的插入作用,常规脂质体偶联的核酸不能选择性地锚定在特定细胞的细胞膜上。为了解决这个问题,我们设计并合成了新型脂质体偶联的核酸化合物(DNA-lipid-P)。DNA-lipid-P的脂质体末端含有两个带负电荷的磷酸基团,磷酸基团的存在降低了整个分子的疏水能力。由于其相对较弱的疏水能力,DNA-lipid-P不能有效地锚定在活细胞膜表面。然而,某些细胞膜表面高表达的碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)能够去除DNA-lipid-P分子中的磷酸基团,并使之转化为疏水能力更强的DNA-lipid。DNA-lipid原位锚定在ALP高表达的细胞膜上。如此,DNA-lipid-P对高表达ALP的细胞膜具有更强的锚定能力。这项工作提供了一种融合酶促剪切反应和基于脂质体核酸的疏水组装的新策略,用于构建ALP依赖的膜锚定的核酸分子。