DNA分子作为遗传信息的载体,能通过严格的沃森-克里克碱基互补配对原则精确地维持遗传信息的稳定性和生命体的多样性。同时,这种明确的分子作用方式为DNA纳米材料的精准构建提供了基础。DNA纳米材料具有合成简单、易于修饰、可设计性强、生物相容性好等优点,并在药物递送、生物传感、细胞表面工程等领域得到了广泛关注。然而,DNA纳米材料在细胞应用研究中仍面临着一些挑战。首先,DNA纳米材料已被广泛用于癌症的治疗,然而,由于癌症的异质性,同一癌症的不同病人,甚至同一病人在不同的病理阶段对药物治疗的反应是不一样的。传统的靶向药物递送系统存在一定的脱靶效应,且不能根据细胞差异实现按需给药,因而难以克服癌症的异质性。发展高效智能的靶向药物递送系统,实现靶标细胞的定制式给药是克服癌症异质性及实现细胞水平上个性化治疗的关键,但仍是一个难题。其次,虽然DNA分子在基于细胞膜表面的生物传感和生物调控等方面具有独特优势,但细胞膜的DNA功能化仍面临一些问题。例如,基于共价交联的方法可以将DNA稳定地修饰到细胞膜表面,但同时也面临效率较低、细胞毒性较强的问题。基于代谢标记修饰DNA的方法则面临着复杂耗时、效率较低的问题。而基于疏水端插入修饰到细胞膜表面的DNA则面临着在复杂环境中稳定性较差的问题。因此,目前仍缺乏快速高效、稳定性高、普适性强、生物相容性好的细胞膜DNA功能化方法。再次,虽然利用DNA调控细胞间相互作用的工作已有报道,然而DNA的一些基本性质(如DNA分子间的结合力及DNA在细胞膜表面的稳定性等)对调控细胞间相互作用的影响还有待研究。此外,目前用于调控细胞间相互作用的方法主要依赖于相对静态的DNA杂交或分子识别技术,发展细胞自适应的调控方法更有利于细胞生物学机理的研究。针对以上问题,本论文合成了多种DNA纳米材料,并首先发展了一种智能纳米药物递送系统用于实现细胞水平上的个性化治疗。随后,我们进一步将DNA纳米材料锚定到细胞膜表面,发展了一种新型的细胞膜DNA功能化方法,并以此为基础研究了DNA在调控细胞间相互作用中的应用。本论文具体研究内容如下:(1)在第二章中,我们利用DNA自组装技术构建了一种细胞定制式的智能药物递送成像系统,用于在细胞水平上实现个性化治疗。该系统由两种反义寡核苷酸链串联杂交而成,其两个末端分别由能够特异性识别癌细胞的核酸适体AS1411和能够探测并结合癌症标志物的分子探针(ABP)所封闭。实验结果显示,在AS1411的导航作用下,DNA纳米药物能被选择性地递送到癌细胞中;当细胞中存在癌症标志物c-raf-1 mRNA时,ABP将与其结合并激活纳米药物递送系统,且纳米药物递送系统的激活程度受癌症标志物的表达水平调节。被激活的纳米药物递送系统能与细胞内两条miRNA(miRNA-21和miRNA-150)结合,从而抑制其生物功能并进一步诱导癌细胞凋亡。由于癌症标志物的表达可以从分子水平上反映细胞的病变状态,而药物递送系统的激活程度取决于癌症标志物的表达量,因此该纳米药物递送系统能实现对个体细胞的定制给药,从而实现细胞水平上的个性化治疗。(2)在第三章中,我们利用DNA自组装技术构建了两亲性DNA四面体探针,用于发展一种新型的细胞膜功能化方法。该两亲性DNA四面体探针的三个支点分别修饰一个胆固醇分子,第四个支点延伸出一段功能核酸。两亲性DNA四面体探针能通过胆固醇分子与细胞膜磷脂双分子层之间的相似相容,高效快速地锚定至细胞膜表面。实验结果表明,两亲性DNA四面体探针功能化细胞膜不仅具有快速高效、普适性强及生物相容性好的优点;与传统的两亲性线性DNA探针相比,两亲性DNA四面体探针的设计还能够有效提高功能核酸在细胞膜表面的锚定能力及生物稳定性。结合DNA分子的可设计性以及其日益丰富的化学和生物学活性,两亲性DNA四面体探针的设计为基于细胞膜表面生物传感与调控界面的有效构建提供了新方法。(3)在第四章中,我们以两亲性DNA四面体探针为基本工具,研究了其在调控细胞间相互作用中的一些基本性质。实验结果表明,通过调节DNA探针间的杂交长度,可以调节细胞黏附的速率、效率及程度;同时,通过改变DNA四面体探针上疏水支点的数量,可以调节细胞黏附的稳定性;最后,通过DNA杂交控制细胞间的物理距离,可实现对细胞通讯行为的精准调控。(4)在第五章中,我们构建了一种基于细胞膜表面的动态DNA纳米探针,用于实现细胞间相互作用的自适应性调控。在具体实验方案中,我们首先在细胞膜表面修饰了两亲性DNA四面体支架,并在远端支点上延伸出ATP响应的双链探针。当受到外界环境刺激时,细胞会调节自身的生理状态并分泌ATP,从而激活细胞膜表面的DNA探针。活化的DNA探针可以引发两种DNA功能单体在细胞膜表面的串联杂交,从而引入能够特异性识别其他细胞的功能模块,最终实现细胞间相互作用的调控。