DNA水凝胶的制备及应用

脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)不仅可作为生物遗传的物质基础,又以其可编程性、功能多样性、生物相容性和生物可降解性等优点,在生物材料的构建方面表现出巨大的潜力。DNA水凝胶是一种主要由DNA参与形成的三维网状聚合物材料,同时因其保留的DNA生物性能与自身骨架的机械性能的完美融合使得它成为近年来最受关注的新兴功能高分子材料之一。目前,基于各种功能核酸序列或通过结合不同的功能材料制备的单组分或多组分DNA水凝胶,已广泛用于生物医学、分子检测及环境保护的研究或应用领域中。文中主要总结了近十几年来DNA水凝胶制备方法上的研究进展,探讨了DNA水凝胶的分类策略,并进一步综述了DNA水凝胶在药物运输、生物传感、细胞培养等方面的应用研究。最后对DNA水凝胶未来的发展方向以及可能面临的挑战进行了展望。     

刺激响应型DNA水凝胶的性质及其应用

DNA水凝胶作为一种生物合成分子,既具有DNA分子的特异性、生物可降解性和分子识别等特性,又具有水凝胶的高亲水性等特征。刺激响应型DNA水凝胶主要是在环境因素的刺激下,利用常规DNA序列经Watson-Crick碱基互补配对形成的DNA分支结构或多种功能核酸的特殊DNA序列形成的i-motif结构; T-A·T三螺旋结构、C-G·C~+三螺旋结构及G-四链体结构等对环境的响应行为使水凝胶形成及应用。近年来,刺激响应型DNA水凝胶因其在温度、pH、光、金属离子、生物分子等单刺激因素,以及光热、金属离子、有机物、温度与p H等多刺激因素下的独特应答性质,在生物传感、生物成像、药物递送、生物材料等方面得到了广泛的应用。综述了刺激响应型DNA水凝胶的形成方法、分类及其核酸来源,形成后的表征手段以及在环境刺激下的响应行为与应用,概括了目前刺激响应型DNA水凝胶的研究热点,并就其未来发展趋势做出了预测。     

基因克隆及组装技术的研究进展 *

随着测序技术的发展,已知的DNA序列数量呈指数性增加,为了能更快的探索其未知的生物功能,一些简化组装流程的DNA克隆及组装新技术争相发展起来。其中大部分需要在菌体外构建重组体,但重组酶纯化过程复杂,运送和保存方法要求严格,致使成本较高。最近研究者开发了一些在菌体内进行DNA组装的简易、低成本的新方法。主要对各类基因克隆及组装方法的研究现状、原理和优缺点等进行综述,并结合实际的工作内容展望了未来的发展趋势,希望能为进一步研究开发新技术提供参考。     

全球微生态药物研发现状及发展趋势 *

微生态药物在许多复杂性和慢性疾病中显示出极大的潜力,逐渐成为国际制药行业的新趋势。基于科睿唯安旗下的Cortellis数据库,采用定量分析和专家智慧相结合的方法,从总体研发现状、主要国家/地区、主要适应症、重点企业研发管线、重点在研药物、商业化交易多个维度展现全球微生态药物的研发和商业化全景。分析结果显示:全球共有142个在研微生态药物,其中49个药物处于临床阶段。美国在微生态药物研发和商业化方面遥遥领先,其数量占在研药物总量的70%。在研药物的适应症主要集中于炎症性肠病、艰难梭菌感染、溃疡性结肠炎等肠道感染性疾病。4D pharma公司的在研药物数量最多,微生态药物重点研发企业均建立起核心技术平台。处于临床3期的微生态药物共有7个,全球微生态药物商业化交易共有303起,最大的交易金额是27.8亿美元。未来,微生态药物有望在更难被人类征服的肿瘤和神经系统疾病方面取得突破性进展。     

冠状病毒的研究现状 *

2019年新型冠状病毒感染的肺炎疫情爆发后,引起国际社会高度重视。本文对Cortellis药物研发综合情报平台的冠状病毒综述报告《Disease Briefing: Coronaviruses》(2020年1月30日)重要内容进行摘编,旨在通过全面梳理冠状病毒的诊断、预防和治疗的研究进展,为当前疫情的科学研究提供参考。     

免疫佐剂在肿瘤免疫疗法中的应用进展 *

免疫疗法是预防和治疗疾病的有效手段之一.近年来,肿瘤免疫疗法已成为一种新型治疗方法,相关肿瘤疫苗已在多种肿瘤的治疗中被证明有效.然而,在肿瘤疫苗的设计中,肿瘤抗原免疫原性弱,应答率低等问题是目前面对的一大挑战,佐剂的加入为问题的解决提供了一种新的方法和思路.免疫佐剂在提高肿瘤抗原免疫原性,激活机体适应性免疫应答等方面起着十分重要的作用.为了解近几年免疫佐剂的发展及其研究现状,针对目前常用的抗肿瘤佐剂进行综述,并总结了其对免疫系统的作用机制,为后续的疫苗设计策略提供帮助.     

趋磁细菌多样性与应用研究进展 *

趋磁细菌是一类可以沿磁场方向进行运动的微生物统称,在细胞内合成由生物膜包被、链状排列、纳米级、单磁畴的磁铁矿 (Fe₃O₄) 或胶黄铁矿 (Fe₃S₄) 的磁小体颗粒。趋磁细菌在自然界分布广泛且多样性丰富,不仅在水环境和沉积环境的铁、硫、碳、氮、磷等元素生物地球化学循环中发挥重要作用,而且在污染治理、疾病诊断和治疗等方面有较好的应用。趋磁细菌磁小体由生物膜包被并在细胞调控下合成,是一类新型的生物源磁性纳米材料。相比常规化学合成的磁性纳米颗粒,磁小体具有大小均一、生物相容性高、兼具化学修饰和基因工程修饰功能等特点,在磁性分离、固定化酶、食品检测、环境监测、医学诊断、磁共振成像、磁热疗和靶向治疗等方面具有广阔的应用前景。在介绍趋磁细菌多样性研究的基础上,综述了趋磁细菌和磁小体的制备、修饰及其应用的最新进展,并对未来的研究进行了展望。     

肽核酸在病毒检测与治疗中的应用 *

肽核酸(peptide nucleic acid, PNA)是以多肽骨架取代糖磷酸主链的寡核苷酸类似物,又称第三代反义核酸。PNA的电中性多肽骨架结构,使其保留类似糖磷酸链寡核苷酸高靶标亲和力的同时,比糖磷酸主链具有更强的酶稳定性和热稳定性,已成为当今寡核苷酸类似物研究的热点。一方面,PNA对病毒的复制与突变水平具有的快速、有效和准确的检测性能,对疾病的进一步治疗具有重要意义;另一方面,基于PNA的序列特异性和剂量依赖性,能在基因水平上对病毒的生命周期进行特异性的调控,从而能更有效地实现抑制病毒在宿主细胞中生存和复制的目的。结合近十年来的文献,综述了PNA应用于不同病毒的检测及病毒性疾病治疗的最新进展和作用机制,以期为PNA的临床产品研发提供新的思路。     

成纤维细胞生长因子5的研究进展 *

成纤维细胞生长因子5(fibroblast growth factor 5,FGF5)是成纤维细胞生长因子家族(FGFs)的成员之一,在哺乳动物毛囊,神经系统,睾丸等多个部位及胚胎发育过程中均有表达.研究发现,FGF5具有广泛的生物学活性,如作为毛发生长重要的调节因子其编码基因突变将导致毛发异常生长,作为丝裂原在干细胞增殖,血管生成和肢体肌发育等方面发挥重要作用,以及在高血压,肿瘤等方面具有重要的生物学功能.目前,FGF5在多种疾病中的功能和作用机制尚需进一步深入研究,但其在毛发生长,干细胞增殖及在心血管疾病等方面的生物学作用具有重大的意义和临床应用价值.总结了近些年FGF5的研究进展,系统阐述了FGF5在毛发生长,干细胞增殖分化,心血管疾病及癌症等方面的相关作用机制,为进一步深入研究FGF5在疾病治疗中的作用和开发利用提供参考.     

生物发酵法制备木糖醇的研究进展 *

木糖醇由于其特殊的物理,化学性质在众多领域被广泛应用,全球需求量日益增多.目前,木糖醇的工业生产方法是由纯D-木糖在高温,高压下化学催化法制得的,该方法存在原料要求高,能耗高,条件苛刻,污染重等问题.生物发酵技术可以利用菌株发酵价格低廉的农作物废弃物来制备木糖醇,由于其原料来源广,能耗低,条件温和,环境友好等优点而备受关注,是一种潜在的具有吸引力的化学过程替代品.然而,由于发酵产物木糖醇含量低,微生物发酵法制备木糖醇的路线尚未在工业上得到实践.综述了生物法制备木糖醇过程中影响木糖醇产率的因素以及可能的菌种改造技术,并给出了生物技术生产木糖醇目前面临的挑战,进一步展望了生物法制备木糖醇的研究方向.     

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In particular, light-mediated click reactions, such as photoinitiated thiol−ene and thiol−yne reactions, afford spatiotemporal control over material properties and allow the design of systems with a high degree of user-directed property control. Fabrication and modification of hydrogel-based biomaterials using the precision afforded by light and the versatility offered by these thiol−X photoclick chemistries are of growing interest, particularly for the culture of cells within well-defined, biomimetic microenvironments. Here, we describe methods for the photoencapsulation of cells and subsequent photopatterning of biochemical cues within hydrogel matrices using versatile and modular building blocks polymerized by a thiol−ene photoclick reaction. Specifically, an approach is presented for constructing hydrogels from allyloxycarbonyl (Alloc)-functionalized peptide crosslinks and pendant peptide moieties and thiol-functionalized poly(ethylene glycol) (PEG) that rapidly polymerize in the presence of lithium acylphosphinate photoinitiator and cytocompatible doses of long wavelength ultraviolet (UV) light. Facile techniques to visualize photopatterning and quantify the concentration of peptides added are described. Additionally, methods are established for encapsulating cells, specifically human mesenchymal stem cells, and determining their viability and activity. While the formation and initial patterning of thiol-alloc hydrogels are shown here, these techniques broadly may be applied to a number of other light and radical-initiated material systems (e.g., thiol-norbornene, thiol-acrylate) to generate patterned substrates.     

Preparation and properties of a pH/temperature-responsive carboxymethyl chitosan/poly(N-isopropylacrylamide)semi-IPN hydrogel for oral delivery of drugs

Thermo- and pH-responsive semi-IPN polyampholyte hydrogels were prepared by using carboxymethylchitosan and poly(N-isopropylacrylamide) with N,N'-methylenebisacrylamide (BIS) as the crosslinking agent. The swelling characteristics of these hydrogels at distinct compositions as a function of pH and temperature were investigated. It was found that the semi-IPN hydrogels demonstrated the pH- and temperature-responsive nature of the materials, and it also showed good reversibility. The study on the release of coenzyme A (CoA) showed that within 24h the cumulative release ratio of CoA was 22.6% in pH 2.1 solution and 89.1% in pH 7.4 solution at 37 degrees C, respectively. The release rate of CoA was higher at 37 degrees C than 25 degrees C in a pH 7.4 buffer solution. An increased release rate of CoA was observed with the content of carboxymethylchitosan increasing in the hydrogel at 25 degrees C in pH 7.4 solution. These results show that semi-IPN hydrogel seems to be of great promise in pH-temperature oral drug delivery systems.     

功能核酸DNA水凝胶的制备与组装

功能核酸DNA水凝胶是一种以DNA为构建单元通过化学反应或物理缠结自组装而成的新型柔性材料,其构建单元中包含1种或多种能够形成功能核酸的特定序列。功能核酸是通过碱基修饰和DNA分子之间的相互作用力组合的一类特定核酸结构,包括核酸适配体、DNA核酶、G-四联体(G-quadruplex,G4)和i-motif结构等。传统上,高浓度的长DNA链是制备DNA水凝胶的必要条件,而核酸扩增方法的引入为DNA水凝胶的组装方式提供了新的可能。因此,对常用于制备DNA水凝胶的多种功能核酸以及核酸的提取、合成和扩增手段进行了详细的介绍。在此基础上,综述了通过化学或物理交联方式组装功能核酸DNA水凝胶的制备方法。最后,提出了DNA纳米材料的组装所面临的挑战和潜在的发展方向,以期为开发高效组装的功能核酸DNA水凝胶提供参考。     

DNA水凝胶应用于环境样品快速检测的研究进展

DNA作为生物大分子既可以引导生物发育和生命机能活动,也可以被用作构筑纳米生物材料.DNA水凝胶可以制备成兼具DNA生物功能和水凝胶特质,应用于环境样品的分析检测.依据制备DNA水凝胶长链的方法,对比分析了聚合酶链反应、杂交链式反应、滚环扩增技术的制备,物理水凝胶和化学水凝胶的合成过程和改性方法技术特点;并结合环境样品...     

壳聚糖基温敏水凝胶的研究进展

壳聚糖是一种由甲壳素脱乙酰化得到的氨基多糖,具有生物相容性、低细胞毒性和可生物降解性等特点。壳聚糖/β-甘油磷酸钠溶液温敏水凝胶在组织工程、药物缓释等领域多有报道,其成胶性能取决于凝胶的组分和浓度。针对单纯壳聚糖水凝胶强度较低、降解较快、药物突释等缺陷,通常对壳聚糖进行改性或引入新材料共混,获得更符合实际需要的壳聚糖基温敏水凝胶。对近年来壳聚糖基水凝胶的研究进展进行综述,包括改性壳聚糖、共混体系等,概述了其在组织工程(软骨、血管、神经修复)、药物缓释(癌症药物缓释、糖尿病治疗)领域中研究和应用的新进展,以期为后续温敏水凝胶的进一步研究提供参考。     

基于自组装交联的水凝胶在皮肤损伤中的应用

自组装水凝胶具有高吸水性、高保水性、良好的生物相容性、生物降解性和三维立体结构等物理优势,同时具备止血、抗菌、抗炎、抗氧化等功能优势。因此自组装水凝胶作为一种新型伤口敷料,在皮肤损伤的创面愈合和调节再生中具有广阔的应用前景。本文通过分析讨论自组装水凝胶的交联机制,阐述自组装水凝胶的功能,明确其作为伤口敷料在皮肤损伤中的优势,总结自组装水凝胶在皮肤损伤应用中的发展趋势,展望自组装水凝胶的未来方向,有助于更全面地了解自组装水凝胶,为自组装水凝胶的多技术联合应用提供新思路。     

纳米粒子标记DNA 探针在电化学DNA 生物传感器中的应用

介绍了纳米电化学DNA生物传感器的基本概念和分类,并介绍了用于DNA标记的纳米粒子的六种类型及其三大检测方法,在此基础上对纳米电化学DNA生物传感器在基因检测、疾病诊断、DNA检测等方面的最新进展进行了综述与讨论。     

Immobilization and hybridization of DNA in a sugar polyacrylate hydrogel

Using a non-contact microarrayer, amine-terminated probe oligonucleotides representing 20-, 50-, and 70-mer fragments of the fliC gene were covalently coupled into three-dimensional regions in a "sugar polyacrylate" hydrogel based on poly(6-acryloyl-beta-O-methyl galactopyranoside-co-aminopropyl methacrylamide). The arrayer deposited the solution containing ssDNA probes in discrete regions on the surface of the gel (i.e. as a droplet with a ca. 450 microm diameter), allowing penetration and attachment of the ss DNA within the three dimensional region of the gel. The attachment was mediated by the homobifunctional crosslinker bis-succinimidyl suberate. Confocal microscopy showed the density of attached probe DNA was greatest in the interior-most regions of the gel volume. Target ssDNA (20- and 70-mer) was able to diffuse through the gel and undergo successful hybridization with the probes. For target ssDNA in the concentration range 0.19 microM to 6.0 microM, there was a linear correlation between DNA concentration and the fluorescence of the gel region where hybridization occurred.     

Photocrosslinkable biodegradable responsive hydrogels as drug delivery systems

Recently, controlled release from biocompatible materials has received much attention for biomedical applications. Due to their biocompatibility and biodegradability, glucopyranosides such as dextran appear as promising polymeric materials if one is able to regulate their rheological properties and the encapsulation/release efficiency. In this work graft polymer hydrogels from dextran and N-isopropylacrylamide (NIPAAm) were prepared and characterized.Dextran molecules were modified with 2-isocyanatoethylmethacrylate (IEMA) in order to obtain a polymer with carbon double bonds. Urethane linkages resulted from the reaction between hydroxyl groups (OH) of the dextran and isocyanate groups (NCO) of the IEMA. The obtained polymer was then crosslinked by UV irradiation in the presence of the photoinitiating agent Irgacure 2959 by CIBA^®. The drug Ondansetron^® was entrapped in the final system and its release profile was determined at 25 and 37 °C.The characterization of the materials was accomplished by: ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared) spectroscopy, elemental analysis, lower critical solution temperature (LCST) determination, swelling behaviour evaluation, determination of surface energy by contact angle measurement and drug delivery profile studies.