随着核酸化学及生物学研究的不断深入,人们发现核酸不仅是存储及传递遗传信息的重要载体,而且还具有分子识别、催化活性等多种生物功能。这些核酸分子,包括核酸适体、脱氧核酶等,统称为功能核酸。功能核酸由于具有易合成、易修饰、选择性好、结合力强及靶标范围广等优势,在生化分析、生物成像及生物医学等研究领域受到了广泛关注。然而,活细胞递送困难、生物稳定性低、功能相对单一等问题限制了功能核酸在复杂生物体系中的应用。为了克服这些问题,多种功能核酸衍生物被开发,脂质体偶联核酸化合物是其中重要的一种。脂质体偶联核酸是一种两亲性核酸化合物,由两个部分组成:脂质体作为疏水性末端,带负电荷的寡核苷酸作为亲水端。由于强疏水性脂质体的存在,在水溶液中,通过分子间自组装,脂质体偶联核酸化合物能够聚集形成纳米核酸胶束。由于具有分子结构明确、粒径可调、设计灵活可控和优越的生物相容性等优点,核酸胶束在生物化学传感、药物递送和生物医学等研究领域中展现出巨大的应用前景。除了形成核酸胶束以外,通过脂质体和质膜磷脂双分子层之间的疏水作用,脂质体偶联核酸能够高效锚定至细胞膜的表面,实现其功能化。这些膜锚定的功能核酸已被报道能够用于监测细胞微环境中金属离子的变化以及活细胞膜上的动态和瞬时分子碰撞事件。尽管取得这些进展,脂质体偶联核酸的相关研究仍然面临一些挑战。例如,如何精确地调控脂质体偶联核酸的分子间自组装?如何构建具有功能性疏水内核的DNA胶束?如何精确地控制脂质体偶联核酸在细胞膜上的锚定?借助于膜锚定的核酸适体,如何开发靶向给药平台?为了解决这些问题,本论文开展了以下四个方面的研究:(1)两亲性分子通过自下而上的自组装方法形成纳米结构时,新型模块的开发可构建出具有新功能的纳米材料。因全氟化碳的独特物理化学性质及核酸的多功能性,在第2章中,我们开发了一系列二全氟癸基-DNA偶联物(PF-DNA),其可以在水溶液中有效地自组装形成氟化的核酸胶束。胶束结构的形成增强了DNA探针与靶标物的结合能力及抵抗核酸酶降解的能力。此外,通过疏水相互作用,PF-DNA可以高效锚定于细胞膜上,为细胞表面功能化修饰提供了有效的分子工具。另外,当PF-DNA进入细胞后可从溶酶体中逃逸出来,这表明其在生物成像和基因治疗等研究领域具有广阔的应用前景。(2)在第3章中,我们报道了酶促脱磷酸化反应激活的核酸自组装体系。通过在脂质体偶联核酸的脂质体末端修饰四个带负电荷的磷酸基团,成功合成了磷酸化的脂质体偶联核酸化合物(DNA-lipid-P)。磷酸基团的引入降低了脂质体偶联核酸的疏水能力,使得DNA-lipid-P不能自组装形成核酸胶束。然而,DNA-lipid-P在碱性磷酸酶(ALP)的存在下能够发生脱磷酸化反应,并转化为DNA-lipid。DNA-lipid具有比DNA-lipid-P更强的疏水能力,并可以自组装形成聚集的核酸纳米胶束。由于ALP在某些癌细胞中过表达,因此,ALP激活的核酸自组装体系有望在药物递送、分子成像和疾病诊断等领域获得应用。(3)在第4章中,我们通过PC连接剂在脂质体偶联核酸的疏水末端引入可光切的核酸链,合成了一种新型的脂质体偶联核酸化合物(DNA-lipid-PC-T4)。DNA-lipid-PC-T4的疏水性较弱,呈现出微弱的细胞膜锚定能力。经过逐步光照剪切和酶促剪切反应之后,DNA-lipid-PC-T4转化为DNA-lipid。因DNA-lipid具有较强的疏水性,故其能够原位锚定在碱性磷酸酶过表达的细胞膜表面。得益于逐步的双因素控制,与DNA-lipid-P相比,DNA-lipid-PC-T4具备更加精确可控的细胞膜锚定能力。(4)外泌体(Exos)是在细胞间进行物质运输的纳米级天然载体,这表明它们有潜力作为纳米载体用于药物的递送。为了提高它们的靶向递送能力,开发一种简便且高效的方法赋予外泌体靶向功能是必要的。在第5章中,我们利用脂质体偶联核酸适体作为靶向配体用于外泌体的修饰,成功构建了适体功能化的Exos(Apt-Exos)。我们对Apt-Exos的细胞摄取机制进行探究并将其用于靶向癌细胞的药物递送。通过将核酸适体的分子靶向能力及Exos作为天然载体的优越性结合起来,Apt-Exos可以有效地将分子药物递送至靶标癌细胞,为癌症治疗提供了新工具。