解析体内DNA折纸结构完整性与药代动力学

在体内观察微小的DNA机器

DNA可以像纸一样折叠成微小的三维形状，这一技术被称为DNA折纸。这些纳米结构可以被程序化以精确携带药物、疫苗或信号分子。但一旦注入体内，它们能否在发挥作用前保持完整，还是会迅速崩解？本文介绍了一种在活体动物内观察这些DNA机器的新方法，揭示了它们存活的时长、在血液中如何迁移，甚至每种结构中哪些部位最先断裂。

为什么折叠DNA可能改变医学

DNA折纸利用了储存我们遗传信息的碱基配对规则，但将其重新用于构建纳米尺度物体。研究者可以像在乐高板上放置小颗粒那样，在这些物体上排列蛋白质、药物或刺激免疫的信号，从而创造高度可控的癌症、自身免疫性疾病和感染的治疗手段。要让此类精确治疗既安全又有效，监管者和科学家必须了解这些结构在体内保持完整的程度以及被清除的速度——统称为它们的药代动力学。现有的追踪方法通常是连接荧光染料或简单地计数DNA片段，这会使拆解后的碎片看起来像完整的纳米结构。直到现在，在活体动物中尚无实用方法能判定原始DNA折纸形状是否仍然完整。

针对DNA折纸的分子“完整性检测”

研究团队开发了一种称为PLASTIQ的方法，全称为用于结构追踪与完整性量化的近距离连接检测（proximity ligation assay for structural tracking and integrity quantification）。其核心思想是让DNA折纸自行报告其状态。在每个结构的特定位点，研究者放置成对的短‘订书针’状寡核苷酸，当折纸正确折叠时，这对短链在螺旋上并肩相邻。每对中的一条带有可被酶促连接的小化学标签，只有当它们仍被完整的支架链紧密保持在一起时才可发生连接。如果结构融化、断裂或被酶降解，这两段就会分离，无法再被连接。连接后，连接产物通过常规的聚合酶链式反应放大，并用灵敏的qPCR或测序进行定量，把完整局部片段的存在转化为从微升级别血液中可测得的信号。

在活体小鼠中验证该检测方法

为证明PLASTIQ确实测量结构完整性，作者先在试管中将其应用于简单的棒状DNA折纸设计。只有在棒状结构完整时才出现信号，经过加热诱导展开后信号消失，而更传统的基于DNA的检测仍会记录到DNA，不论其形状如何。他们随后通过不同途径将这些棒状结构注入小鼠——直接进入血液、腹腔、肌肉及皮下，并在不同时间仅提取一微升血液样本。PLASTIQ显示完整结构的浓度如何随注射途径而先升后降，这与药物药代学的一般预期一致，但提供了更精细的结构层面信息。该方法的灵敏度可达0.01飞摩尔，同时所需血量极少，允许在数小时内对同一只动物进行重复取样。

检测保护涂层与隐藏的薄弱环节

许多团队试图通过用聚乙二醇（PEG）等高分子包覆、用紫外光交联链条或添加化学粘接剂来保护DNA折纸，但很难看到这些手段在体内实际有多少帮助。利用PLASTIQ，作者显示进入血液的PEG包覆棒状结构比裸体略能保持更久的完整性，但一旦进入循环又被更快清除，且该涂层并不阻碍PLASTIQ所用酶的作用。通过将PLASTIQ与简单的数学模型结合，他们提取了不同注射途径和涂层的吸收与消除速率，甚至能模拟重复给药方案。他们还将方法推进到一种双层桶状折纸设计，内层比外层堆得更紧密。PLASTIQ测量显示暴露的外表面上的订书针比朝向内腔的失去完整性的速度更快，直接证实了埋藏的螺旋在血液中受到降解酶的屏蔽。

这对未来基于DNA的疗法意味着什么

对非专业读者而言，PLASTIQ可以被视为在体内旅行的纳米尺度DNA装置的一次结构体检。它不只是问“这里有DNA吗？”，而是问“这些DNA是否仍然被折叠成我们设计的精确物体？”。通过从微量血样中以高灵敏度回答这个问题，PLASTIQ为药物开发者提供了一种优化DNA折纸类药物和疫苗的设计、涂层与给药剂量的方法。随着对这些纳米结构在真实生物环境中的行为获得如此详尽且定量的洞察，DNA折纸有望从实验室的优雅概念逐步发展为可靠、可被监管机构接受的治疗手段。

引用: Wang, Y., Rocamonde-Lago, I., Waldvogel, J. et al. Resolving DNA origami structural integrity and pharmacokinetics in vivo. Nat. Nanotechnol. 21, 268–276 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02091-z

关键词: DNA折纸, 纳米医学, 药物递送, 药代动力学, 纳米技术