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Angew: 基于金納米棒的乏氧響應(yīng)性基因編輯系統(tǒng)用于低溫光熱治療
▲第一作者:李雪晴  潘永春              

通訊作者:宋玉君 教授   韓欣 教授     
通訊單位:南京大學(xué)  南京中醫(yī)藥大學(xué)         
論文DOI:10.1002/anie.202107036        
 
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南京大學(xué)宋玉君教授及南京中醫(yī)藥大學(xué)韓欣教授團(tuán)隊(duì)合作構(gòu)建了一種以乏氧響應(yīng)性金納米棒為基礎(chǔ)的CRISPR-Cas9納米復(fù)合物,利用乏氧敏感的偶氮鍵實(shí)現(xiàn)CRISPR-Cas9的按需釋放,通過(guò)腫瘤靶向基因編輯以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)岑煛?/span>

02

背景介紹


光熱療法(PTT)作為一種新興的腫瘤治療方法,由于其副作用小,療效顯著和時(shí)空操控精度高等特點(diǎn),在腫瘤治療領(lǐng)域引起了越來(lái)越多的關(guān)注。然而,這種療法通常需要50℃以上的高溫來(lái)消融腫瘤,這不可避免地會(huì)對(duì)附近的正常組織造成熱損傷,并導(dǎo)致復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。因此,迫切需要采用溫和的PTT策略來(lái)克服腫瘤的耐熱性。而較低溫度的PTT(38-43℃)則會(huì)激活癌細(xì)胞自我保護(hù)路徑,如產(chǎn)生熱休克蛋白(HSPs),影響PTT的治療效果。 因此如何在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)理想的治療效果仍然是PTT臨床轉(zhuǎn)化道路上的一大挑戰(zhàn)。


03

本文亮點(diǎn)


基于以上挑戰(zhàn),宋玉君教授和韓欣教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種以乏氧響應(yīng)性金納米棒為基礎(chǔ)的CRISPR-Cas9納米復(fù)合物APACPs,通過(guò)腫瘤靶向基因編輯以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)岑?。具體來(lái)說(shuō),該體系通過(guò)乏氧響應(yīng)性偶氮苯-4,4'-二羧酸將Cas9/sgRNA與金納米棒共價(jià)連接起來(lái),并包被上聚乙烯亞胺。在乏氧腫瘤微環(huán)境中,APACPs中的偶氮基團(tuán)被還原酶的過(guò)度表達(dá)選擇性破壞,實(shí)現(xiàn)了Cas9的按需釋放和隨后的靶向HSP90α的基因編輯。由于HSP90α的基因敲除降低了腫瘤細(xì)胞的熱阻,所以APACPs系統(tǒng)可以通過(guò)低溫?zé)岑煂?shí)現(xiàn)高效的體內(nèi)外腫瘤消融。這種治療方案一方面實(shí)現(xiàn)了APACPs系統(tǒng)中Cas9/sgRNA在腫瘤微環(huán)境中的按需釋放,另一面有效地克服了高溫?zé)岑熞鸬母浇F鞴俚臒釗p傷,并以低損傷的方式殺死腫瘤細(xì)胞, 為低溫?zé)岑熖峁┝颂峁┝艘粋€(gè)高效可行的方案。

04

圖文解析



▲圖1. 納米復(fù)合材料表征。
 
本文首先對(duì)APACPs進(jìn)行了表征,證實(shí)了Cas9/sgRNA通過(guò)偶氮苯-4,4'-二羧酸的成功修飾。金納米棒用巰基聚乙二醇胺基處理(表示為APs),之后與乏氧敏感的偶氮苯-4,4'-二羧酸共價(jià)鏈接(稱為APAs)。隨后,Cas9/sgRNA核糖核蛋白復(fù)合物共價(jià)組裝在APAs上(簡(jiǎn)稱APACs)。為了促進(jìn)細(xì)胞攝取,將所得納米顆粒用帶正電的聚乙烯亞胺包裹, 形成APACPs(圖1A、B)。制備APACPs的逐步修飾過(guò)程也通過(guò)zeta電位分析,傅里葉變換紅外光譜和紫外-可見吸收光譜進(jìn)行了驗(yàn)證(圖1C,E 和F)。為了直接證實(shí)Cas9/sgRNA的成功修飾,通過(guò)高倍透射電鏡進(jìn)行監(jiān)測(cè),在APACPs中發(fā)現(xiàn)了明顯的金和磷元素,分別對(duì)應(yīng)于金納米棒和sgRNA(圖1D)。
 
▲圖2. 近紅外光照與基因編輯協(xié)同作用引發(fā)的A549細(xì)胞凋亡
 
接下來(lái),本文系統(tǒng)驗(yàn)證了細(xì)胞水平上APACPs的乏氧響應(yīng)特性及其在低溫光熱治療上的效果。此處選擇HSP90α基因作為靶位點(diǎn)進(jìn)行基因敲除以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)岑煟▓D2A)。APACPs系統(tǒng)在與近紅外光照(808nm)聯(lián)合乏氧處理A549細(xì)胞時(shí),其凋亡率顯著增加至52.0%,遠(yuǎn)高于其他方法處理的細(xì)胞(2D, E)。Westernblot及SURVEYOR結(jié)果顯示,與其他治療方法相比,該方法良好的治療效果由靶向敲除HSP90α基因,從而顯著降低HSP90α表達(dá)實(shí)現(xiàn)(2B, C)。上述結(jié)果表明,APACPs可在乏氧條件下實(shí)現(xiàn)Cas9/sgRNA的按需釋放,并在敲除HSP90α基因后,實(shí)現(xiàn)在較低溫度下針對(duì)腫瘤細(xì)胞的有效治療。
 
▲圖3.  APACPs的體內(nèi)抗腫瘤作用
 
隨后本文進(jìn)一步探究了動(dòng)物水平上該系統(tǒng)針對(duì)腫瘤部位的治療效果(3A)。在A549荷瘤小鼠模型中,與其他治療方法相比,APACPs+NIR可以顯著抑制腫瘤的生長(zhǎng)(3B,C and D)。此外,蘇木精-伊紅染色、原位TUNEL分析和KI67染色顯示,實(shí)驗(yàn)組的腫瘤部位損傷最為嚴(yán)重,而對(duì)照組的損傷程度較低。此外,HSP90α的免疫組化研究表明在實(shí)驗(yàn)組中發(fā)現(xiàn)HSP90α表達(dá)降低,突變分析也有力地證實(shí)了APACPs可通過(guò)Cas9介導(dǎo)的HSP90α基因敲除實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞對(duì)低溫?zé)岑煹目赡褪苄越档停?E, F)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在動(dòng)物水平上,APACPs體系可在低功率紅外光的輔助下,有效抑制腫瘤增長(zhǎng)。
 
05

總結(jié)與展望


本文構(gòu)建了Cas9介導(dǎo)的低溫?zé)岑煼ρ蹴憫?yīng)性納米系統(tǒng)。在這個(gè)體系中,乏氧響應(yīng)的偶氮苯被用來(lái)共價(jià)連接CRISPR系統(tǒng)和金納米棒。通過(guò)制備靶向HSP90α基因的sgRNA,并將金納米棒應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換器,將近紅外光(808nm)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)熱,在體外和體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了靶向低溫?zé)岑熀蛥f(xié)同抗癌作用。這種基于基因編輯的納米系統(tǒng)有效地克服了熱療引發(fā)的對(duì)周圍正常器官的熱損傷,并以微創(chuàng)的方式殺死了癌癥,具有巨大的臨床應(yīng)用潛力。更重要的是,這項(xiàng)工作為腫瘤靶向基因編輯提供了一種有前景的策略,并將CRISPR-Cas9技術(shù)與精確醫(yī)學(xué)聯(lián)系起來(lái)。

原文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202107036


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