DNA水凝胶因其独特的高通透性、优异的力学性能、快速的触变性、多样的可编程性和良好的生物相容性等特性，在组织工程等领域具有广泛的应用前景。然而，作为一种生物大分子，DNA具有刺激机体先天和获得性免疫反应的天然特性，因此，伴随着DNA水凝胶逐步推向体内实验，对DNA材料的生物安全性担忧也随之产生。同时，DNA在体内容易被核酸酶降解，也为DNA材料在体内长期应用带来了困难。如何在保持原有的优异物理性质的同时，降低DNA水凝胶的炎症反应和提高生物稳定性，是实现DNA超分子水凝胶从基础研究到产业转化的重要挑战。
近日，清华大学刘冬生教授和中科院化学研究所董原辰研究员合作，发展了一种基于L-DNA的新型DNA超分子水凝胶。该水凝胶具有和D-DNA水凝胶一样的网络拓扑结构，从而继承了D-DNA水凝胶的高通透性、可编程性和良好的力学性质。同时，脱氧核糖的异构使得该水凝胶表现出优异的生物稳定性，其在与胎牛血清共培养30天后未出现明显的力学强度降低。
作者进一步对L-DNA双链及L-DNA水凝胶的炎症反应进行了系统性研究。结果显示L-DNA双链在转染进入小鼠巨噬细胞系RAW264.7后，干扰素β（IFNβ），白介素-6（IL6）和CCL4等炎症细胞因子的表达均未被激活，这表明L-DNA双链不会被细胞内双链DNA感受器识别，从而不会诱发严重的炎症反应。而L-DNA水凝胶与骨髓来源的巨噬细胞共培养后，乃至经腹腔注射进入C57BL/6黑鼠体内后，细胞和小鼠中的白介素-6（IL6）、α肿瘤坏死因子（TFN-α）和白介素1β（IL-1β）等炎症因子的表达水平仅与PBS对照组相似，而远低于阳性对照组（脂多糖和CpG），充分表明该水凝胶不会刺激机体产生明显的炎症反应。
综合这种水凝胶材料的优良性质，作者将其应用到了多种细胞系的三维培养中。结果显示L-DNA水凝胶可以为细胞提供恒定的力学支撑，保证细胞良好的长期三维分布。因此，相较于D-DNA水凝胶，培养在L-DNA水凝胶中的细胞将经受具有恒定维度的微环境，其迁移、增殖、分化以及其他细胞行为不会受到影响，这使得L-DNA水凝胶成为体外研究细胞行为的理想模型和具有可控性质的类器官培养基质材料。
因此，这种L-DNA水凝胶在保持了原有水凝胶优良性质的前提下，具有优异的生物稳定性和低的炎症刺激作用，为组织工程等生物医用领域的发展提供了一个优异的平台，有望推动DNA水凝胶的临床应用发展。
文章的第一作者是清华大学化学系博士生杨勃、周碧妮和清华大学生命学院博士后李翠峰。
论文信息
A Biostable L-DNA Hydrogel with Improved Stability for Biomedical Applications
Bo Yang,Bini Zhou,Cuifeng Li,Xiaowei Li,Ziwei Shi,Yuxin Li,Chenyou Zhu,Xin Li,Yi Hua,Yufan Pan,Jian He,Tianyang Cao,Yawei Sun,Wanli Liu,Min Ge,Yuhe R. Yang,Yuanchen Dong,Dongsheng Liu
Angewandte Chemie International Edition
https://doi.org/10.1002/anie.202202520
相关进展
清华大学刘冬生教授、北医三院张纯教授《Adv. Mater. Interfaces》：DNA超分子水凝胶作为新型人工玻璃体替代物
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