CN114459877B - 用于富集外泌体的dna四面体复合磁性纳米材料及制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合磁性纳米材料及外泌体富集技术领域，提供了一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料及制备，在制备四氧化三铁磁核的表面，通过沉淀聚合法修饰带有活性反应基团的聚合物；然后通过共价键将DNA四面体稳定地固载在磁球表面，最后利用DNA四面体的磷酸基团的螯合作用固载金属离子。该材料可通过金属离子与外泌体磷脂双分子层的特异性相互作用，实现对外泌体的分离富集。本发明首次以DNA四面体中的磷酸基团为作用位点固载金属离子，利用DNA四面体特殊的刚性骨架及空间特性，可以有效地提高对外泌体的富集效率。使用该材料富集外泌体的操作过程便捷、快速，并且避免了离心操作造成的样品损失。
Description
技术领域
本发明涉及复合磁性纳米材料及外泌体富集技术领域，特别涉及一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料及制备。
背景技术
外泌体是多数细胞的多囊泡体在与细胞质膜融合后释放的细胞外囊泡。外泌体有两个主要功能：它们在细胞和细胞之间运输蛋白质、脂质和核酸，以及在正常生理病理过程中传递着重要的生物信号。近年来，研究发现，相比于血清和尿液中的标志物，外泌体稳定的脂双层膜结构可以保护其内含物，从而可以提供更高稳定性和特异性的生物标志物。外泌体的识别和分离是外泌体研究的前提，然而，由于外泌体尺寸较小，体液中的干扰物质太多，极大地增加了分离富集的难度。超速离心是分离外泌体常用的方法，但是耗时长、分离纯度低且效率低；一些商用试剂盒虽然分离外泌体的灵敏度较高，但过程复杂。
DNA四面体是一种通过精确的DNA序列设计，应用碱基互补配对的原则，由4条DNA单链自组装结合而成的具有四面体形状的DNA三维立体结构。DNA四面体具有出色的生物相容性、丰富的功能化修饰位点，同时制备较为简单且产率高、尺寸以及动态性均可调节。DNA四面体的骨架结构具有一定的刚性。在我们此前的一项专利申请中（202110071495.7），我们利用DNA四面体的空间间隔作用，有效的控制抗体分布，从而实现了复杂基质中特定蛋白质的高效富集与定量工作。
目前用于外泌体的富集材料多为金属氧化物（如二氧化钛、二氧化锆等）或基于磁珠的金属离子亲和材料，这类材料在富集磷酸化肽或磷酸化蛋白等分子时具有良好的效果。然而外泌体是一类具有较大体积（直径40-200nm）的生物囊泡，上述材料在与外泌体相互作用时，只能提供少数的作用位点，类似于两个相切的球体之间点对点的相互作用，因此富集外泌体效果并不好。
发明内容
本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料、制备方法及应用，可以有效地提高对外泌体的富集效率。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料，由内到外依次包括：磁核、以沉淀聚合法包覆在所述磁核表面的聚合物层、固载在所述聚合物层表面的DNA四面体、及固载在所述DNA四面体上的金属离子；所述金属离子通过与DNA四面体磷酸基团之间的螯合作用固载。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述磁核包括四氧化三铁磁核。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述磁核为四氧化三铁磁性纳米颗粒，粒径大小为50 ~ 800nm。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述四氧化三铁磁核外包裹聚合物，呈核壳结构，所述聚合物层的厚度为50~500nm。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述DNA四面体的4条DNA单链通过自组装的方式合成，每一条DNA单链包含10~130个脱氧核糖核苷酸单体；DNA单链的3’端或5’端具有第一活性功能基团，所述第一活性功能基团为巯基、羧基、醛基、环氧基或氨基；所述第一活性功能基团与聚合物的第二活性功能基团进行化学反应进而在聚合物表面固定DNA四面体。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述DNA四面体由四条浓度均为1μmol/L的DNA单链通过碱基互补配对形成。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述金属离子包括钛离子、锆离子。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述聚合物层通过所述磁核与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合反应得到。
另一方面，本发明还提供了一种上述的用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料的制备方法，所述方法包括：
S1、制备四氧化三铁磁核，得到产物I:Fe3O4；
S2、在所述产物Ⅰ表面通过原位聚合反应修饰聚合物层，聚合物为聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，得到产物II:Fe3O4@PGMA；
S3、在所述产物II表面修饰氨基基团得到产物III: Fe3O4@PGMA@NH2；
S4、在所述的产物Ⅲ表面通过醛胺缩合反应固载DNA四面体，得到产物IV：Fe3O4@PGMA@DNA TETs；
S5、在所述产物IV表面通过钛离子与DNA四面体磷酸基团的螯合作用，得到产物V：Fe3O4@PGMA@DNA TETs@Ti4+，产物V即为所述复合磁性纳米材料。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，以溶剂热法制备四氧化三铁磁核；步骤S5中，金属离子为钛离子或锆离子。
另一方面，本发明还提供了一种上述的用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料在外泌体富集与检测中的应用。
本发明的有益效果为：将具有磁性的纳米材料与DNA四面体结合，使用DNA四面体的磷酸基团固载金属离子，并利用所固载的金属离子与外泌体磷脂双分子层特异性相互作用，实现外泌体的高效、高选择性富集。本发明首次利用DNA四面体特殊的刚性骨架及空间特性。在富集外泌体的过程中，该材料可以提供立体的相互作用体系，因而可以有效地提高对外泌体的富集效率。使用该材料富集外泌体的操作过程时间短，样品试剂消耗量小，制作成本低。可以从血清、细胞上清液中快速分离出高质量的外泌体，并且极大减少了样品的处理成本和时间。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料的合成路线示意图。
图2所示为实施例1中合成过程中产物II:Fe3O4@PGMA的透射电镜图。
图3所示为实施例的合成过程中产物Fe3O4（a）、Fe3O4@PGMA（b）、Fe3O4@PGMA@NH2-（c）和Fe3O4@PGMA@NH2-@DNA TET@Ti4+（d）磁性表征图。
图4所示为Fe3O4@PGMA@NH2-@DNA TET@Ti4+的EDS表征图。
图5所示为本发明实施例DNA四面体复合材料和传统TiO2富集外泌体的效果对比图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料，首先制备四氧化三铁磁核，通过沉淀聚合法在磁核表面修饰聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和氨基基团，通过DNA单链的自组装反应合成四个顶点为醛基基团修饰的DNA四面体，然后将DNA四面体稳定地固载在氨基基团修饰的磁球表面，最后在DNA四面体上修饰金属离子。
在一个具体实施例中，四氧化三铁磁性纳米颗粒，粒径大小为50 ~ 800nm，如图3中（a）所示，具有很强的磁性。
在一个具体实施例中，所述四氧化三铁磁核外包裹聚合物，如图2所示，呈明显的核壳结构，所述聚合物层的厚度为50~500nm。由于包裹聚合物的原因，如图3中（b）所示，磁性仅略微下降。
优选的，所述DNA四面体的4条DNA单链通过自组装的方式合成，每一条DNA单链包含10~130个脱氧核糖核苷酸单体；DNA单链的3’端或5’端具有第一活性功能基团，所述第一活性功能基团为巯基、羧基、醛基、环氧基或氨基；所述第一活性功能基团与聚合物的第二活性功能基团进行化学反应进而在聚合物表面固定DNA四面体。如图3中（c）、（d）所示，在合成过程中，材料保持着较好的磁性，磁性与（b）相比几乎没有下降。
在一个具体实施例中，所述DNA四面体由四条浓度均为1μmol/L的DNA单链通过碱基互补配对形成。
在一个具体实施例中，所述金属离子包括钛离子、锆离子。从图4中可看出含有大量的Ti元素，表明材料成功固载大量Ti离子。
在一个具体实施例中，所述聚合物层通过所述磁核与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合反应得到。
如图1所示，本发明实施例一种基于DNA四面体的复合磁性纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以溶剂热法制备四氧化三铁磁核，得到产物I:Fe3O4；
S2、在所述产物Ⅰ表面通过原位聚合反应修饰聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，得到产物II:Fe3O4@PGMA；
S3、在所述产物II表面修饰氨基基团得到产物III: Fe3O4@PGMA@NH2；
S4、在所述的产物Ⅲ表面通过醛胺缩合反应固载DNA四面体，得到产物IV：Fe3O4@PGMA@DNA TETs。
S5、在所述产物IV表面通过钛离子与DNA四面体磷酸基团的螯合作用，得到产物V：Fe3O4@PGMA@DNA TETs@Ti4+，产物V即为所述复合磁性纳米材料。
在下述具体实施例中：
产物I：量取200mL乙二醇置于烧瓶中，加入3g六水合三氯化铁，超声30分钟。加入8g无水乙酸钠，搅拌1小时。将混合液转移至不锈钢高压釜，220℃烘箱中反应12小时，在外界磁场的辅助下，用乙醇和纯水分别洗涤并收集磁核Fe3O4，并在50℃烘箱中干燥过夜；
产物II：取200mg Fe3O4 分散在含有50mL乙醇和 20mL水的混合液中，向混合液中加入2mL浓氨水，超声1小时至分散均匀。混合液于70℃油浴中搅拌至溶液均匀，逐滴加入600μL 3-（三甲氧基甲硅基）甲基丙烯酸酯，搅拌24小时。反应结束后，在磁铁辅助下，产物经乙醇和纯水洗涤数次，烘干即得 Fe3O4@MPS。称取70 mg Fe3O4@MPS 超声分散于60mL乙腈中。向溶液中分别加入200μL 甲基丙烯酸缩水甘油酯，200 mg N, N-亚甲双丙烯酰胺，10mg偶氮二异丁腈，超声分散后，置于油浴锅内95℃反应2小时。产物用乙醇和水清洗涤后，烘干待用；
产物III：称取100mgFe3O4@PGMA超声分散于90ml的丙二胺溶液中，90℃油浴反应2小时，产物用乙醇和水清洗涤后于烘箱烘干待用；
所用的DNA四面体通过如下步骤制备得到：每条单链DNA配制成浓度为150μmol/L。每条单链取1μL加入到96μL TE缓冲液中，配制成每条单链的终浓度为1μmol/L。95℃保持20分钟后，在4℃条件反应30分钟，即可自组装形成DNA四面体；
产物IV：称取Fe3O4@PGMA-NH2复合材料20mg，向其中加入100μL上述配制成的DNA四面体、500μL TE缓冲液和30μL 浓度为50 mmol/L NaCl溶液后进行反应，在4℃环境中反应16个小时后，将样品储存于4℃冰箱中备用；
产物V：将Fe3O4@PGMA@DNA TETs加入浓度为5mM的硫酸钛溶液中，40℃条件下振荡孵育8小时。所得的产物用缓冲液洗涤保存于4℃下，产物V即为所述复合磁性纳米材料。
对比实验
以检测混合血清中外泌体的蛋白质和肽段为例，将商业化TiO2作为对比材料，考察本发明的新型磁性复合纳米材料在实际样品中富集外泌体的性能。吸取200 μl混合血清加入1mL新型磁性复合纳米材料中，混合液在4℃条件下混匀孵育30分钟。孵育反应后，在外加磁铁的作用下去除上清液。将材料用洗涤液洗涤后进行酶解反应，吸取反应后的酶切液10μl进行高分辨质谱检测。如图5显示：其中，传统的TiO2材料富集并鉴定外泌体相关蛋白质298个，肽段1202条；本发明制备的DNA四面体复合纳米材料富集并鉴定了外泌体相关蛋白质534个，肽段3655条，大大优于传统的TiO2材料富集方式。
本发明首次利用DNA四面体特殊的刚性骨架及空间特性，首次以DNA四面体中的磷酸基团为作用位点固载金属离子，在富集外泌体的过程中，该材料可以提供立体的相互作用体系，通过DNA四面体每条单链中的磷酸基团螯合特定的金属离子（如钛离子（IV）、锆离子（IV）等），再利用DNA四面体独特的的三维立体骨架结构对外泌体进行吸附，使得外泌体嵌入DNA四面体阵列中，显著增加了金属离子与外泌体磷脂双分子层之间的相互作用位点数量，从而实现外泌体的高效率富集。
使用本发明材料富集外泌体的操作过程便捷、快速，并且避免了离心操作造成的样品损失。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (5)
1.一种用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料，其特征在于，所述复合磁性纳米材料由内到外依次包括：磁核、以沉淀聚合法包覆在所述磁核表面的聚合物层、固载在所述聚合物层表面的DNA四面体、及固载在所述DNA四面体上的金属离子；所述金属离子通过与DNA四面体磷酸基团之间的螯合作用固载；
所述磁核为四氧化三铁磁核；所述磁核为四氧化三铁磁性纳米颗粒，粒径大小为50～800nm；
所述聚合物层为在四氧化三铁磁核外包裹聚合物，呈核壳结构，所述聚合物层的厚度为50～500nm；
所述DNA四面体的4条DNA单链通过自组装的方式合成，每一个DNA单链包含10～130个脱氧核糖核苷酸单体；DNA单链的3’端或5’端具有第一活性功能基团，所述第一活性功能基团为巯基、羧基、醛基、环氧基或氨基；所述第一活性功能基团与聚合物层的第二活性功能基团进行化学反应进而在聚合物层表面固载DNA四面体；
所述金属离子包括钛离子、锆离子。
2.如权利要求1所述的用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料，其特征在于，所述聚合物层通过所述磁核与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合反应得到。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、制备四氧化三铁磁核，得到产物I:Fe3O4；
S2、在所述产物Ⅰ表面通过原位聚合反应修饰聚合物层，聚合物为聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，得到产物II:Fe3O4@PGMA；
S3、在所述产物II表面修饰氨基基团得到产物III:Fe3O4@PGMA@NH2；
S4、在所述的产物Ⅲ表面通过醛胺缩合反应固载DNA四面体，得到产物IV：Fe3O4@PGMA@DNA TETs；
S5、在所述产物IV表面通过金属离子与DNA四面体磷酸基团的螯合作用，得到产物V：Fe3O4@PGMA@DNA TETs@Ti4+，产物V即为所述复合磁性纳米材料。
4.如权利要求3所述的用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，以溶剂热法制备四氧化三铁磁核。
5.如权利要求1-2任一项所述的用于富集外泌体的DNA四面体复合磁性纳米材料在外泌体富集与检测中的应用。
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