慢炎症存在治疗悖论，因为驱动炎症性的细胞因子信号也能提供短暂的修复信号。因此，有效的干预需要选择性抑制致病介质并控制抑制时机。RNA切割DNA酶非常适合作为转录本选择性的催化效应器，但其治疗效用依赖于发现强效序列和控制细胞内催化的开始时间。在这里，机器学习识别出针对肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的高活性DNA酶作为模型炎症调节因子，并揭示了由RNA可及性和RNA–DNA相互作用能量学所支配的设计原则。优化后的DNA酶被纳入上转换的纳米粒子偶联DNA纳米笼中，通过光裂连接体生成光响应构造，实现近红外触发释放和时空控制基因沉默。该构造体表现出巨噬细胞抗炎活性，并在微针递送后，与依太诺普联合在TNF相关炎症性皮肤病模型中显示出疗效。在此基准之外，该系统还进一步应用于糖尿病骨再生，延迟激活在再生微环境中重塑炎症动态。这种时间干预保留了有益的早期炎症，同时通过增强血吐促进后续缓解，从而加速骨骼修复，并将DNA酶疗法从无差别抑制转向阶段特异性免疫调控。这项工作建立了一种机器学习引导的光激活DNA酶纳米笼策略，以实现针对性的炎症控制和糖尿病骨骼再生。

该研究以题为“Machine‐Learning‐Guided DNAzyme Nanocages for Photoresponsive Immunomodulation and Spatiotemporal Control of Diabetic Bone Regeneration”发表在Advanced Functional Materials 上。

图1

使用Adobe Illustrator制作的DNA酶综合治疗策略示意图。

图2

开发用于序列优化和筛选TNF α靶向DNA酶的主动学习框架。（A） 使用Adobe Illustrator制作的机器学习框架示意图。（B）基于预测分数（利用）和模型不确定性（探索）的候选人选择策略。（C）模型不确定性与实验预测误差之间的相关性。（D） 置换检验显示探索候选预测误差与随机抽样的分布。（E） 利用K中心选择对候选特征空间进行UMAP投影。（F，G）ROC（F）和精度回忆（G）曲线，比较模型在主动学习更新前（第一轮）和第二轮后表现。（H） SHAP总结图，详细说明特征对活动预测的重要性。（I） 比较预测与实验确定的TNF-α候选人组活性的混淆矩阵。（J） 对独立IL-6转录本靶点进行零测定预测分析。（K） 优化后的DNA酶-RNA复合物的三维结构模型。（L） LPS刺激巨噬细胞中ML筛选与已报道DNA酶的细胞内TNF-α mRNA敲低效率。（M）不同束缚臂长的排名前列候选人的静默表现。Spearman秩相关法在C（n=15）和J（n=8）中使用，并在D.TF：转染试剂（Lipofectamine 3000）中进行了1000次的置换测试。L和M中的数据以平均±标准差（n=3）形式呈现，采用单向方差分析（ANOVA）分析，随后采用Tukey多重比较检验。*p < 0.05， **p < 0.01， ***p < 0.001， ****p < 0.0001， ns： p > 0.05.

图3

UCDN 的综合与表征。（A） UCDN 合成过程的示意图。（B） 8% 原生 PAGE 分析确认 UVDN 的组装。（C） 不同紫外线照射时间后，Cy5/BHQ-2标记的UVDN荧光恢复。（D）评估巨噬细胞中NDN和UVDN的细胞吸收及紫外线触发的胞内荧光恢复，无论是否使用紫外线照射。（E） UCDN 的透视矩阵和元素映射图像。（F） 通过DLS测量的UCNP和UCDN的流体动力学尺寸分布。（G）UCNP、UVDN和UCDN的XPS光谱。（H）UCNP和UCDN的FTIR光谱。（一）UCNP和UCDN在808纳米照射下进行的上转换发光光谱。（J）Cy3/BHQ-2标记的UVDN、UNDN和UCDN的荧光光谱。比例条：10微米（深径），50纳米（E）。图中的所有示意元素均使用Adobe Illustrator制作。

图4

通过UCDN进行体外生物相容性、近红外触发激活及巨噬细胞表型重塑。（A）通过CCK-8检测法处理不同浓度UCDN的巨噬细胞相对存活率。（b）用UNDN和UCDN处理红细胞完整性的溶血法，剂量为100 μg mL−1.（C）利用Cy5/BHQ-2标记的UCDN和UNDN，对NIR触发荧光恢复进行流式细胞术分析。（D） 使用Adobe Illustrator制作的近红外触发Dz解码、随后靶mRNA切割及下游TNF-α沉默的示意图。（E–G）通过ELISA（E）、免疫荧光成像（F）和西方印迹（G）在不同处理条件下评估LPS刺激巨噬细胞中TNF-α沉默效率。（H）免疫荧光成像对iNOS进行研究。（I，J）促炎标志物CD86的流式细胞术分析。（K–M）通过免疫荧光成像（K）和流式细胞术（L，M）评估CD206表达。（N） IL-6、iNOS和IL-1的RT-qPCR分析β。（O） 通过西方印迹法评估IL-10和IL-6的蛋白质水平。比例杆：10微米。数据以平均值标准差±表示。A（n=4）和B、E、J、M、N（n=3）的数据采用单因子方差分析，随后采用Tukey多重比较检验;E的分析在NIR（−）和NIR（+）条件下分别进行。在A组中，****p对所有低浓度组<0.0001。*p < 0.05， **p < 0.01， ***p < 0.001， ****p < 0.0001.

图5

通过微针通过皮下递送UCDN用于体内银屑病治疗。（A） 使用Adobe Illustrator制作的UCDN@HA MNs制造工艺示意图。（B） MN阵列的形态特征，显示了明确的金字塔几何形状。（C）横断面扫描电子显微镜图像及对应的Y、Yb和Nd元素定位，这些元素分布在UCDN@HA MNs。尺度条：100微米。（D）空白HA和UCDN@HA MN的机械压缩测试。（E）评估小鼠皮肤中Cy3/BHQ-2标记UCDN的透皮递送及NIR触发激活的荧光图像。比例条：50微米（F）对应的UCDN从MNs中随时间的释放动力学。（G） 使用Adobe Illustrator创建的IMQ诱导银屑病小鼠模型实验计划。（H） 不同治疗组小鼠皮肤病变的代表性宏观照片。（I，J）使用PASI进行疾病严重度评估，呈现为热图（I）和时间定量评分（J）。J 中的数据以平均 ±标准差（n = 5）呈现，并采用混合效应模型及 Tukey 多重比较检验进行分析。第8天统计数据：IMQ+UCDN与IMQ的对比：*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，分别为IMQ+UCDN与IMQ;IMQ+依妥诺止普与IMQ的比值<0.05，P < 0.01，P < 0.001，p < 0.0001。

总结

炎症信号既推动损伤又参与修复，干预既要选对致病介质，也要卡准时机。DNA酶能按转录本切割RNA，但强效序列和催化起始时间不好控。研究用机器学习筛出靶向TNF-α的高活性DNA酶，归纳出RNA可及性与RNA–DNA相互作用能量学的设计原则；再把优化DNA酶装入上转换纳米粒子偶联DNA纳米笼，借光裂连接体实现近红外触发释放和时空控制沉默。

该构造在巨噬细胞中表现出抗炎活性，微针递送后与依太诺普联合，在TNF相关炎症性皮肤模型中显示效果。进一步用于糖尿病骨再生时，延迟激活保留了早期有益炎症，并通过增强胞葬促进后续消退，加速骨修复。由此把DNA酶干预从无差别抑制推向阶段特异性免疫调控，形成机器学习引导的光激活DNA酶纳米笼策略。

参考文献：

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