Protrusion-tip antibody placement on a DNA origami nanoparticle enhances endothelial ICAM-1 targeting through glycocalyx: a single-donor microphysiological pilot study

在人体内部，每一条血管的内壁并非光滑、裸露的墙壁。它被一层由糖蛋白链组成的厚厚凝胶状层所覆盖，这种层被称为糖萼（glycocalyx）。可以将这一层想象成生长在细胞表面的一片茂密且具有保护作用的森林。这片“森林”对健康至关重要；它有助于调节血流，并防止血管壁对每一个经过的微粒产生反应。然而，对于试图向血管壁输送药物或诊断工具的科学家来说，这片森林是一个巨大的障碍。传统的微小颗粒，无论其体积多么小或化学性质如何优化，往往都会卡在这一糖分森林的外层枝干中。它们无法触及下方细胞表面的特定受体，而这些受体正是治疗炎症或早期检测疾病的目标靶点。

为了解决这个问题，研究人员转向了一种被称为 DNA 折纸术（DNA origami）的独特微观结构。正如纸张可以被折叠成复杂的形状一样，长链 DNA 可以被编程折叠成精确且刚性的结构。通过设计这些具有特定形状的结构，科学家可以将分子精准地放置在需要的位置。在最近的一项初步研究中，研究人员提出了一个简单而深刻的问题：如果一个纳米颗粒上伸出一根长而硬的臂，将靶向分子放置在该臂的最顶端，是否会比将同一个分子直接附着在颗粒主体上更能有效地穿透这片糖分森林？

研究团队利用一名捐赠者的细胞，构建了一个形状如“L”形的微观平台。该“L”形的底座是一个平坦的平台，从其延伸出的是一根由 DNA 束组成的单一且刚性的臂。他们制作了两个版本的装置。在第一个版本中，他们将一种抗体（一种专门寻找名为 ICAM-1 的特定标记物的蛋白质）附着在长臂的最顶端。在第二个版本中（作为对照组），他们将完全相同的抗体附着在“L”形的平坦底座上。这两个装置都涂有一层保护层以防止误粘，并且都加载了荧光染料，以便研究人员进行追踪。

随后，这些装置被引入到一个带有活细胞的微型人类血管实验室模型中。研究人员在不同的条件下测试了这些装置。在某些情况下，他们让细胞保持在平静、健康的状态；而在其他情况下，他们使用一种模拟早期炎症的化学信号来处理细胞，这会导致糖分森林略微变薄，并使目标标记物更加丰富。该血管模型保持运动状态，以模拟自然血流，研究人员观察了两种不同版本的装置抓取细胞表面目标标记物的效果。

结果显示，带有延伸臂的设计具有明显的优势。当细胞处于具有完整糖分森林的健康基准状态时，将抗体置于臂顶端的装置发现目标标记物的频率大约是抗体位于平坦底座上的装置的五倍。即使在细胞处于早期炎症状态（此时糖分森林略微变薄）时，顶端放置抗体的装置表现仍比底座放置的装置好约两倍。这种差异不仅在于粘附在细胞上的总量，还在于速度。顶端放置的装置能快速触达目标，而底座放置的装置达到类似的结合水平则耗时得多，这表明它在努力穿透屏障。

研究人员指出，尽管这两个装置的总尺寸相同且携带相同数量的抗体，但这种效应依然发生了。唯一的区别在于抗体的位置。这表明刚性臂起到了桥梁的作用，允许抗体延伸到糖分森林的外层之外并直接接触细胞表面，而位于平坦底座上的抗体则仍被困在外部枝干中。这项研究是一项使用单名捐赠者细胞的初步实验，因此其发现是强有力的初步概念验证，而非对全人类的最终结论。然而，数据清楚地表明，纳米颗粒的形状以及其靶向工具的精确位置是至关重要的因素。通过将靶向分子从颗粒主体移动到刚性突起的末端，科学家们可能已经找到了一种绕过血管天然防御机制的方法，为将药物和诊断工具输送到此前难以触及的部位开辟了新路径。