近二十年,自组装DNA纳米结构在智能载药输送的巨大潜力引起了广发关注。DNA本身具有生物相容性,可溶性和生物降解性。高度特异性的碱基配对规则允许自下而上的DNA链自组装成具有可预测尺寸,形状和尺寸的结构。更重要的是,这些纳米结构可实现纳米级精确控制的化学药物和生物分子功能化修饰。因此,DNA纳米结构相比于其他纳米材料在体内靶向药物递送方面具有更大的应用潜力。基于此,本论文围绕纳米颗粒的细胞摄取、膜转运过程和调控机理展开,以细胞成像为主要研究策略,综合运用包括激光共聚焦显微镜、流式细胞仪、全内反射荧光显微镜和暗场显微镜等观测体系,分别对于DNA纳米结构和纳米金颗粒的内吞和细胞内分布、囊泡运输等过程进行了系统的定性和定量分析,直观地揭示了相关纳米材料完整的细胞内吞与转运过程,并提出了可能的调控机制。主要成果如下:(1)研究了培养基中的胎牛血清(FBS)对DNA四面体(Tetrahedral DNA Nanostructures,TDNs)进入HeLa细胞的速度和内吞途径的影响。采用自组装技术得到了荧光标记的TDNs,利用HPLC分离得到纯度超过95%的TDNs单体,进而分别使用流式细胞术和共聚焦显微成像等技术分别比较了在有无血清的情况下,细胞摄取量随时间的变化以及FBS对TDNs摄取途径的影响。实验结果表明,TDNs在培养基和细胞裂解液环境中可以稳定存在12 h以上,培养基中的FBS能够提高He La细胞的四面体摄取量,但并未改变TDNs进入He La细胞的途径。(2)系统的研究了一个基于DNA四面体的高阶结构在细胞内分布和胞内动态运输过程,构建了DNA纳米结构细胞成像学平台。通过杂交链将5个DNA四面体组装成四个外周四面体环绕一个中心四面体的树状超结构G1。在单颗粒水平分析G1从进入到流出整个囊泡运输体系的动态过程。G1随着时间的增加在细胞内聚集,最终大多数分布在溶酶体中,同时伴有胞吐的发生。G1通过小窝蛋白依赖的胞吞途径进入细胞,经过早期内吞体,晚期内吞体,并最终在溶酶体中聚集。G1在细胞内沿微管快速从膜周运动到核周。(3)结合理论模拟和实验验证,研究DNA纳米结构胞吞机制。合成了边长分别为13bp、20bp、32bp的四面体单体TDN13、TDN20、TDN32,和TDN20二聚体(TDN20-dimer)和六螺旋(6-helix)结构。实验结果显示单个TDN20通过小窝蛋白依赖胞吞途径进入细胞。散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)的模拟结果表明单个四面体从膜上特定区域进入细胞,不同大小的四面体单体摄取速度没有明显差异。DNA纳米结构通过点接触(point-attacking)的方式进入细胞,TDN20-dimer和6-helix的摄取速度慢于单颗粒。我们的实验结果与DPD模拟结果完美匹配。(4)细胞膜包裹可赋予纳米材料新特性。通过超声和挤压两种方法,在纳米材料表面均匀覆盖细胞膜,形成稳定均一的颗粒,并通过TEM、DLS和western证明。细胞对细胞膜包裹纳米金的摄取速度快于裸金,且摄取途径也发生改变。我们还发现一种肿瘤细胞膜包裹的纳米金颗粒在多种肿瘤细胞中都有更多的摄取。