基于dna折纸技术的纳米载药系统 12页

郑州轻工业学院硕士研究生毕业（学位）论文开题报告学院：电气信息工程学院姓名：学号：年级：2014级专业：电气工程导师：填表日期：郑州轻工业学院研究生处制11 填表说明一、研究生在导师指导下，应于第三学期根据研究方向选定论文研究课题。二、研究生通过系统地查阅国内外文献资料，在进行实地调查研究的基础上，详细认真地填写报告中的有关内容。三、报告须在导师组会议上宣读，广泛听取意见，并进行修改，经组同意，主管院长（主任）批准后，方可执行。四、报告一式三份，应于开题报告结束后，分别交院系、研究生处、研究生本人各一份存查，并作为检查报告执行情况的依据。五、本报告存入研究生技术档案，是学位评定材料之一，要求用钢笔填写，字迹清楚，如栏内填写不下，可另加附页。11 研究题目：基于DNA折纸技术的纳米载药系统课题来源：国家自然科学基金选题依据（选题的理论意义和实用价值，国内外研究动向及进展）：1.选题的理论意义和实用价值目前，癌症已成为人类健康的一大杀手。据世界卫生组织统计，全球每年有420万人死于癌症。尽管近年来临床治疗效果已取得了很大的进步，但目前最有效的治疗方法依然是手术和化疗。而化疗药物在杀伤肿瘤细胞的同时也会产生全身严重的毒副作用。因此，提高局部给药浓度，减少药物全身毒性反应一直是国内外在治疗癌症方面所研究的热点。本文选用DNA折纸术进行纳米载药，是因为DNA折纸是由多条订书钉链和一条支架DNA杂交，而非彼此杂交,所以反应对计量关系的精确度要求相对较低，这可以显著提高组装的成功率和产量。而且，DNA折纸术能够构建特定的形状、尺寸和分子可寻址的纳米结构[1-4]。利用DNA折纸术进行载药不仅可以提高药物传输的效率，增强局部的给药浓度，降低细胞的耐药性。而且可以克服纳米粒载药系统缺乏生物相容性和缺乏多功能空间寻址能力这一难题。这为纳米载药系统的研究奠定了有利的基础。2、国内外研究动向及进展1、2006年，加利福尼亚理工学院科学家Rothemund在Nature杂志以封面论文的形式报道了DNA折纸术[1]。同年，上海交通大学Bio-X中心和上海应用物理所研究人员基于DNA折纸术组装得到纳米尺度的中国地图[2]。2、2007年，Shih等将DNA折纸术拓展到三维结构层面[3]，成功利用脚手架链折叠出了六螺旋的纳米管，这是DNA折纸术在三维结构自组装领域的首次尝试，实现了DNA分子由构建二维图形到创建三维结构的一大突破，自此，三维DNA折纸术在DNA自组装领域快速发展。3、2008年，Andersen等开发了一种专门用于DNA折纸术图形设计的软件，并借助此软件设计并创建出了非对称又带孔的海豚图形结构[4]。4、2009年，Douglas等在DNA纳米管的基础上提出了“蜂窝褶状模型”，并依此创建出了块状巨石、桥式结构、方向螺帽、细瓶颈、堆积交叉、插槽交叉等多种单体和组合结构[5]，被LaBean教授誉为DNA纳米技术领域的又一个里程碑[6]。并在进一步的研究中，通过在每个单元上适当的添加或减少碱基数目，实现了三维结构的整体扭曲和弯折[7]，通过透射电子显微镜(TEM)表征与设计完全相符，弯折角度可精确控制到3°。5、2009年，Ke等基于DNA折纸术，构造出了DNA四面体笼[7]，研究人员寄希望与其能用于转载“货物”，实现纳米颗粒向特定目标的传送。同年，丹麦Andersen等基于DNA折纸术，利用“先折面在合围”的方法构造出了一个具有可寻址特性的DNA六面体盒，并通过链置换级联反应，使用DNA“钥匙”实现了控制[8]。6、2012年，Yan等在Science上以封面形式发表论文，提出利用DNA折纸术可以将脚手架链折叠成任意织构的三维纳米结构的观点[9]。他们通过在每个单元上适当的增加或减少碱基数目，调节自组装结构的表面曲率，创建出了像艺术品一样的纳米“圆球”和精美“花瓶”，这将三维DNA折纸术推向了一个新的高度。7、2012年，Yin等融合DNAtile自组装和DNA折纸术的构图思想，开创性的提出了利用一系列短的单链DNA自组装构建纳米结构的SST自组装方法[10],并利用300多条短的DNA单链，一次性合成了100多个二维DNA纳米图形，开创了DNA自组装一次性纳米构图数量之最，是目前通用性最强的一种DNA纳米构图方式。8、2012年，Yan等在二维SST自组装方式的基础上，通过改进单链DNAtile的长度，根据DNA11 双螺旋的空间结构特性，使得每条单链DNAtile自组装时空间位置发生改变[11]，延伸到三维空间中，再一次发挥SST方式强大的自组装能力，成功组装成了100多个三维DNA纳米结构。9、2009年，SeungHyeonKo提出了碳纳米管作为细胞内组合的交付工具的应用。10、2012年，QiaoJiang等人提出DNA折纸术作为规避药物载体的耐药性。11、2014年，QianZhang等人提出了DNA折纸术在活体细胞内的载药，并成功地应用于小老鼠的体内。基于前人的研究发现，目前的载药系统仍存在一些问题，使其不能被广泛应用。例如，缺乏生物相容性和空间表面寻址的能力等。为解决这一问题，根据DNAorigami自身特有的性质及优点，提出基于DNAorigami的纳米载药系统的研究。11 课题研究内容与研究方法：课题研究内容如下：1、利用DNAorigami设计一个由200多条短链订书钉链和一条长的筮菌体基因组组成的正方体DNA纳米盒子。2、设计一种方案，使得阿霉素通过共价键的连接到DNA纳米盒子内。以达到高水平的载药量。3、设计方案，利用DNAorigami空间可寻址的能力，使得该载药系统可以靶向杀死肿瘤细胞。同时不产生外排的现象。研究方法：本题利用纳米粒载药的优势和DNAorigami自身的优势设计的该载药系统，从理论上讲不仅具有高度的可行性而且具有很大的医用价值。首先根据构想用仿真软件进行仿真，观察其结构和可行性。之后订制所需的NDA链，使其杂化。通过跑焦上样观察是否形成大分子结构。最后通过荧光标记，观察药物是否通过共价键与所设计的DNA纳米结构相结合并进行靶向传输。课题工作计划及阶段进度：工作计划：从2015年1月到2017年3月。2015年1月-2015年12月，在导师的指导下确定研究方向，查阅文献，准备开题。2016年1月-2016年5月，进行参考文献的搜集和学习，同时DNA纳米盒子的设计做出具体方案，并验证。2016年6月-2016年7月，调整设计方案，成功做出该纳米盒子。2016年8月-2016年10月，进行载药的可行性实验。2016年11月-2016年12月，实行该纳米载药系统的靶向输送药物。2017年1月-2017年3月，对参考文献和实验数据进行整理，完成论文的书写。11 课题研究工作可能存在的困难和问题：1、各DNA链的杂交结合很难控制，实验具有一定的难以预测性。2、肿瘤细胞多药耐药（MDR）是化疗成功的主要障碍之一。目前最好的方法是Ding课题组构建的DNAorigami纳米载药系统用以逆转肿瘤细胞多药耐药。他们设计载药系统是通过内吞的方式进入细胞，从而规避了细胞膜上外排蛋白的外排作用，有效逆转肿瘤细胞多药耐药。但是由于DNAorigami的构建较为复杂，且它通过被动内吞进入细胞，因此会杀死正常细胞，产生毒副作用。解决方法和措施：1、先用仿真软件对所设计的方案进行可行性分析。查阅文献，确定所用buffer的PH值得范围，并对温度，退火的时间进行估计。分步进行观察。2、设计方案，通过直接进入细胞膜的方式提高肿瘤细胞内的药物浓度，避免药物杀死正常细胞。预期结果：预计所设计出的DNAorigami载药系统可以有效地进行药物的靶向传输，克服纳米粒载药系统缺乏生物相容性和缺乏空间寻址能力这一不足。并且其结构不会在细胞分裂时和细胞内被排斥或分解。DNA折纸术作为有效的，不引起排斥的药物载体和传输工具对癌症的治疗有着巨大的潜力。课题研究具体指导人员：崔光照（博士），张勋才（博士）导师（签名）：年　　　月　　　日11 附：为选题所查阅的文献资料索引（外文资料不少于1/3篇，中外文文献资料不少于40篇，按报告引用时出现的先后顺序填写）：参考文献索引：[1]RothemundPW.FoldingDNAtocreatenanoscaleshapesandpatterns[J].Nature,2006,440(7082):297-302.[2]Petros,R.A.,DeSimone,J.M..StrategiesintheDesignofNanoparticlesforTherapeuticApplications[J].Nat:RevDrugDiscovery,2010,9,615-627.[3]DouglasSM,DietzH,LiedlT.Self-assemblyofDNAintonanoscalethree-dimensionalshapes[J].Nature,2009,459(7245):414-8.[4]LiZ,LiuM,WangL.MolecularBehaviorofDNAOrigamiinHigher-OrderSelf-Assembly[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2010,132(38):13545-52.[5]QianL,WangY,ZhangZ,etal.AnalogicChinamapconstructedbyDNA[J].ChineseScienceBulletin,2006,51(24):2973-2976.[6]DouglasSM,ChouJJ,ShihWM.DNA-nanotube-inducedalignmentofmembraneproteinsforNMRstructuredetermination[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2007,104(16):6644-6648.[7]AndersenES,DongM,NielsenMM,etal.DNAorigamidesignofdolphin-shapedstructureswithflexibletails[J].ACSnano,2008,2(6):1213-1218.[8]DouglasSM,DietzH,LiedlT,etal.Self-assemblyofDNAintonanoscalethree-dimensionalshapes[J].Nature,2009,459(7245):414-418.[9]DietzH,DouglasSM,ShihWM.FoldingDNAintotwistedandcurvednanoscaleshapes[J].Science,2009,325(5941):725-730.[10]KeY,SharmaJ,LiuM,etal.ScaffoldedDNAorigamiofaDNAtetrahedronmolecularcontainer[J].Nanoletters,2009,9(6):2445-2447.[11]AndersenES,DongM,NielsenMM,etal.Self-assemblyofananoscaleDNAboxwithacontrollablelid[J].Nature,2009,459(7243):73-76.[12]HanD,PalS,NangreaveJ,etal.DNAorigamiwithcomplexcurvaturesinthree-dimensionalspace[J].Science,2011,332(6027):342-346.[13]WeiB,DaiM,YinP.Complexshapesself-assembledfromsingle-strandedDNAtiles[J].Nature,2012,485(7400):623-626.[14]KeY,ShihWM,YinP.Three-dimensionalstructuresself-assembledfromDNAbricks[J].Science,2012,338(6111):1177-1183.[15]QianL,WangY,ZhangZ,etal.AnalogicChinamapconstructedbyDNA[J].ChineseScienceBulletin,2006,51(24):2973-2976.[16]DouglasSM,ChouJJ,ShihWM.DNA-nanotube-inducedalignmentofmembraneproteinsforNMRstructuredetermination[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2007,104(16):6644-6648.[17]AndersenES,DongM,NielsenMM,etal.DNAorigamidesignofdolphin-shapedstructureswithflexibletails[J].ACSnano,2008,2(6):1213-1218.[18]DouglasSM,DietzH,LiedlT,etal.Self-assemblyofDNAintonanoscalethree-dimensionalshapes[J].Nature,2009,459(7245):414-418.[19]DietzH,DouglasSM,ShihWM.FoldingDNAintotwistedandcurvednanoscaleshapes[J].Science,2009,325(5941):725-730.[20]KeY,SharmaJ,LiuM,etal.ScaffoldedDNAorigamiofaDNAtetrahedronmolecularcontainer[J].Nanoletters,2009,9(6):2445-2447.[21]AndersenES,DongM,NielsenMM,etal.Self-assemblyofananoscaleDNAboxwitha11 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