上海大学/南京大学李根喜教授、赵婧教授团队：基于乳腺癌干性细胞表型导向的原位DNA纳米机器构建及细…

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近日，上海大学/南京大学李根喜教授、赵婧教授团队研制了一种乳腺癌干性细胞表型导向的原位DNA纳米机器，可以将信号探针链选择性锚定于乳腺癌干性细胞表面，并且通过将银纳米簇标记与信号探针链整合，用于乳腺癌干性细胞电化学检测，实现了药物表型逆转作用的有效监测；同时，通过将生物素标记与信号探针链整合，能够在磁性分离辅助下，快速富集并分离乳腺癌干性细胞亚群，为进一步开展相关的分子机制研究创造了条件。这项研究工作为特定细胞亚群的分离与分析提出了较流式细胞术更简便且经济的技术方案，同时，可以为靶向乳腺癌干细胞的乳腺癌诊断以及相关机制研究提供技术支持。

背景介绍：

乳腺癌干细胞是乳腺肿瘤中一部分具有CD44+CD24−/Low表型特征的特殊乳腺癌细胞，其通过自我更新和增殖能力维持肿瘤的活性并表现出对常规放、化疗的耐药性，因此，准确描述实体肿瘤中干细胞样亚群的分子特征，可以为乳腺癌局部复发和远端器官转移的早期预警提供新的方向。流式细胞术是当前乳腺癌干细胞分析和分离的“金标”技术，但是它通常仪器价格昂贵，操作相对复杂，较依赖于操作人员的经验。近年来，虽然磁性分选为特定细胞亚群分选提供了一种简单且快速的方法，但是，对于乳腺癌干性细胞亚群而言，通常需要通过正负多轮分选才能获得最终的细胞亚群，因而可能因为复杂处理过程降低分离效率。更重要的是，乳腺肿瘤中的乳腺癌干性细胞占比小，细胞数量极低，对现有的检测和分离技术提出了很大的灵敏性挑战。

本文亮点：

基于以上研究背景，上海大学/南京大学李根喜教授、赵婧教授团队受动态 DNA 组装调控机制的启发，研制了一种表型导向的原位DNA 纳米机器，通过利用表面标志物操控DNA 纳米机器的迁移路径，实现了乳腺癌干性细胞亚群（CD44+CD24−）的选择性标记，进而结合电活性信号分子或生物素分子功能化修饰，满足乳腺癌干细胞亚群的不同分析需求（图1）。

图1. 表型导向的原位 DNA 纳米机器用于乳腺癌干性细胞亚群分析的示意图

首先，作者通过PAGE 荧光成像和荧光光谱研究证明了所设计DNA 纳米机器可以通过不同输入链（I或者I’）激活并引导有序的核酸组装反应，产生差异化的DNA组装产物。同时，以磁珠模拟不同细胞表型，证实输入链（I或者I’）可以引导DNA 纳米机器采用不同的自组装路径（图2）。

图2. 输入链引导的DNA 纳米机器组装反应表征结果图

其后，作者利用共聚焦成像和流式细胞术验证了DNA 纳米机器在细胞表型分析方面的选择性优势。以乳腺正常细胞MCF-10A（CD44-CD24−）、乳腺癌细胞MDA-MB-231（CD44+CD24−）、BT-474（CD44-CD24+）和MCF-7（CD44+CD24+）作为对象，证明了DNA 纳米机器可以通过I介导的链迁移路径选择性标记具有干性表型特征的乳腺癌细胞MDA-MB-231（图3）。

图3. 表型导向的DNA纳米机器用于细胞表型分析的荧光分析结果图

随后，作者利用银纳米簇标记信号探针链，证实了表型导向的DNA 纳米机器能够准确识别具有干性表型的乳腺癌细胞，同时，结合电化学技术简便且灵敏的优势，可以实现其中特定细胞亚群的高灵敏定量分析。电化学定量分析方法表现出了令人满意的灵敏性和选择性，不仅可以在细胞混合样本中准确鉴定其中的干性细胞亚群比例，而且可以有效监测药物产生的干性表型比例变化，其准确性与流式细胞术相当（图4）。

图4. 基于DNA纳米机器的干性表型乳腺癌细胞电化学检测结果图

在电化学检测基础上，作者进一步利用生物素标记的信号探针链和链霉亲和素功能化的磁珠证明，表型导向的DNA 纳米机器可以选择性地富集并分离具有干性表型的乳腺癌细胞，分离的细胞仍具有稳定的生长状态和较高的细胞活性。同时，利用对不同表型细胞的荧光染色表征证明，该方法在不同比例的 MDA-MB-231 细胞与对照细胞的混合样本中，都可以稳定并准确分离其中具有干性表型特征的MDA-MB-231细胞（图5）。

图5. 基于DNA纳米机器的乳腺癌干性细胞样亚的磁性分离结果图

最后，作者在荷瘤小鼠模型中研究了表型导向的DNA 纳米机器用于乳腺癌干性细胞亚群分析的可行性。在表型导向的DNA 纳米机器作用机制基础上，一方面，通过使用银纳米簇标记的信号探针链，作者实现了肿瘤组织中乳腺癌干性细胞亚群的电化学定量检测，其比例鉴定结果与流式细胞术相匹配；另一方面，通过使用生物素标记的信号探针链，作者有效分离了乳腺肿瘤组织中的乳腺癌干性细胞亚群并通过流式细胞术和成球实验验证了分离细胞的干细胞特征（图6）。

图6. 荷瘤小鼠模型中干性细胞亚群的测定和分离结果图

总结与展望：

综上所述，本文作者设计了一种乳腺癌干性细胞表型导向的DNA 纳米机器，可以用于“一步”检测和分离乳腺癌中的干性细胞亚群。由于乳腺癌干细胞与乳腺肿瘤的诊断和预后密切相关，因此，本研究有望为乳腺癌的早期诊断、表型分析和病程监护提供新的方向，同时，有助于推进乳腺癌干细胞相关机制的深入研究，为靶向乳腺癌干细胞的乳腺肿瘤精准管理奠定基础。本研究得到了国家自然科学基金（81972799、81871449）以及上海市自然科学基金（23ZR1421400）的支持。该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry。文章第一作者为上海大学生命科学学院教师曹亚和硕士研究生毛会茹，通讯作者为上海大学生命科学学院赵婧教授和南京大学生命科学学院李根喜教授。

文章详情：

Phenotype-Directed DNA Nanomachine for In Situ Analysis of Stem Cell-like Subpopulation in Breast Cancer

Ya Cao†, Huiru Mao†, Lingjun Sha, Qi Liu, Bing Han, Jing Zhao* and Genxi Li*

Cite this by DOI:

10.31635/ccschem.023.202303010

文章链接：

https://doi.org/10.31635/ccschem.023.202303010

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原标题：《上海大学/南京大学李根喜教授、赵婧教授团队：基于乳腺癌干性细胞表型导向的原位DNA纳米机器构建及细胞亚群分析应用》

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