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  近日，同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院高分子材料系、同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院杜建忠教授課題組設(shè)計(jì)了一種具有“雙門控”系統(tǒng)的智能納米高分子囊泡，該囊泡可將質(zhì)粒包載在其內(nèi)部空腔，實(shí)現(xiàn)基因遞送及轉(zhuǎn)染。相關(guān)成果以“Dually Gated Polymersomes for Gene Delivery”為題，發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)著名期刊《納米快報(bào)》上（Nano Lett. 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01985；影響因子：12.08）。同濟(jì)大學(xué)博士生王方英凱為第一作者，杜建忠教授為通訊作者。

  高分子囊泡在小分子藥物的包載與遞送領(lǐng)域具有很多優(yōu)勢(shì)。但是，有些生物大分子（如質(zhì)粒，pDNA）本身尺寸就較大，難以有效進(jìn)行可控包載和釋放。因此，如何高效包載、遞送生物大分子一直以來是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。杜建忠教授課題組致力于解決這個(gè)問題。2014年，課題組設(shè)計(jì)并制備了“人工核膜”高分子囊泡（Nuclear envelope-like vesicles，ACS Nano 2014, 8, 6644–6654），通過調(diào)節(jié)pH值這一“單一門控”的方式，實(shí)現(xiàn)了在水溶液中直接包載生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸等）的目標(biāo)，其包載的蛋白質(zhì)不僅活性未受影響，還能顯著提高其生物催化活性。2015年，課題組設(shè)計(jì)并制備了靶向腫瘤干細(xì)胞的siRNA高分子囊泡載體（Biomacromolecules 2015, 16, 1695–1705），成功實(shí)現(xiàn)了siRNA的細(xì)胞質(zhì)遞送，并顯著抑制了腫瘤干細(xì)胞成球，進(jìn)一步推動(dòng)了生物大分子載體的研究進(jìn)展。

  針對(duì)環(huán)狀質(zhì)粒尺寸大、難包載、難釋放的研究難點(diǎn)，杜建忠教授在前期工作基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有“雙門控”系統(tǒng)的智能納米高分子囊泡，該囊泡具有非均相的膜結(jié)構(gòu)，室溫下可以在水溶液中直接包載siRNA以及pDNA等生物大分子，保護(hù)其在遞送過程中不被降解，并在細(xì)胞中定向釋放。體外與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均證明了這種設(shè)計(jì)思路的可行性。

圖1. “雙門控”高分子囊泡的設(shè)計(jì)思路及基因轉(zhuǎn)染的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  設(shè)計(jì)質(zhì)粒載體時(shí)，通常會(huì)遇到一個(gè)矛盾。受限于質(zhì)粒較大的尺寸與構(gòu)象，其載體要求有較大的空腔以實(shí)現(xiàn)包載與保護(hù)，但尺寸增大的同時(shí)又會(huì)增加遞送難度。與其他基因載體不同，高分子囊泡的“流動(dòng)”膜結(jié)構(gòu)（fluid membrane）可為生物分子提供進(jìn)出通道，實(shí)現(xiàn)核酸的可控包載與釋放；同時(shí)，作為一種“軟材料”，其流動(dòng)的膜結(jié)構(gòu)又很容易在流體中變形、壓縮以及折疊，完成遞送任務(wù)，從而解決上述矛盾。

  作者首先利用RAFT聚合方法合成了嵌段聚合物PEO-b-P(NIPAM-stat-CMA-stat-DEA)，然后通過自組裝制備了高分子囊泡，具有區(qū)別于傳統(tǒng)囊泡的非均相膜結(jié)構(gòu)。這種非均相膜結(jié)構(gòu)功能多樣，但通常在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，較難制備。因此，作者引入了可光交聯(lián)的香豆素衍生物CMA以保證囊泡膜的穩(wěn)定性。20℃時(shí)，囊泡的“包載通道”打開，siRNA、pDNA等可以在水溶液中直接包載；將溫度恢復(fù)至37℃，通道關(guān)閉，囊泡膜對(duì)包載的生物大分子起到有效的保護(hù)作用；當(dāng)囊泡被細(xì)胞攝取后，可以通過“質(zhì)子海綿效應(yīng)”打開“釋放通道”，釋放生物大分子。此外，“包載通道”還可以作為二級(jí)釋放通道，以提高釋放效率。通過包載綠色熒光標(biāo)記的siRNA，作者驗(yàn)證了該囊泡被細(xì)胞攝取及細(xì)胞質(zhì)遞送的能力。作者進(jìn)一步包載了pDNA，通過L02細(xì)胞體外轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了釋放通道的可行性，并利用裸鼠驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性。

圖2. “雙門控”高分子囊泡的制備及功能實(shí)現(xiàn)。

  需要指出的是，作者在37℃及20℃分別進(jìn)行了質(zhì)粒的包載實(shí)驗(yàn)，二者包載率存在顯著差異。37℃時(shí)，囊泡膜上的包載通道關(guān)閉，質(zhì)粒僅通過靜電吸附作用吸附于囊泡膜表面（“包載率”12.1%）；而20℃下，包載通道打開，質(zhì)粒既可以通過靜電作用吸附于囊泡表面，也可以進(jìn)入囊泡內(nèi)部（“包載率”達(dá)34.2%）。結(jié)果表明，環(huán)狀的質(zhì)粒被成功包載進(jìn)入囊泡。后續(xù)轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)證明，吸附在囊泡表面的質(zhì)粒難以轉(zhuǎn)染得到綠色熒光蛋白，進(jìn)一步證明了利用“雙門控”高分子囊泡包載、遞送核酸的重要性及必要性。

圖3. 不同溫度下包載質(zhì)粒實(shí)驗(yàn)：37℃時(shí)，質(zhì)粒僅吸附在囊泡表面，無法轉(zhuǎn)染得到綠色熒光蛋白（GFP）。20℃時(shí)，質(zhì)粒既有吸附又有包載，提高了包載率，且實(shí)現(xiàn)了GFP轉(zhuǎn)染。

  該研究解決了一些與核酸遞送相關(guān)的重要科學(xué)問題，對(duì)設(shè)計(jì)功能高分子囊泡、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有啟發(fā)意義。

  該工作得到了中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01985