同济大学杜建忠教授课题组：为高分子囊泡安上“双门控”系统，实现质粒等生物分子的包载与递送
近日，同济大学材料学院高分子材料系、同济大学附属第十人民医院杜建忠教授课题组设计了一种具有“双门控”系统的智能纳米高分子囊泡，该囊泡可将质粒包载在其内部空腔，实现基因递送及转染。相关成果以“Dually Gated Polymersomes for Gene Delivery”为题，发表在美国化学会著名期刊《纳米快报》上（Nano Lett. 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01985；影响因子：12.08）。同济大学博士生王方英凯为第一作者，杜建忠教授为通讯作者。
高分子囊泡在小分子药物的包载与递送领域具有很多优势。但是，有些生物大分子（如质粒，pDNA）本身尺寸就较大，难以有效进行可控包载和释放。因此，如何高效包载、递送生物大分子一直以来是该领域的重大挑战。杜建忠教授课题组致力于解决这个问题。2014年，课题组设计并制备了“人工核膜”高分子囊泡（Nuclear envelope-like vesicles，ACS Nano 2014, 8, 6644–6654），通过调节pH值这一“单一门控”的方式，实现了在水溶液中直接包载生物大分子（蛋白质、核酸等）的目标，其包载的蛋白质不仅活性未受影响，还能显著提高其生物催化活性。2015年，课题组设计并制备了靶向肿瘤干细胞的siRNA高分子囊泡载体（Biomacromolecules 2015, 16, 1695–1705），成功实现了siRNA的细胞质递送，并显著抑制了肿瘤干细胞成球，进一步推动了生物大分子载体的研究进展。
针对环状质粒尺寸大、难包载、难释放的研究难点，杜建忠教授在前期工作基础上，设计了一种具有“双门控”系统的智能纳米高分子囊泡，该囊泡具有非均相的膜结构，室温下可以在水溶液中直接包载siRNA以及pDNA等生物大分子，保护其在递送过程中不被降解，并在细胞中定向释放。体外与动物实验均证明了这种设计思路的可行性。
图1. “双门控”高分子囊泡的设计思路及基因转染的动物实验结果。
设计质粒载体时，通常会遇到一个矛盾。受限于质粒较大的尺寸与构象，其载体要求有较大的空腔以实现包载与保护，但尺寸增大的同时又会增加递送难度。与其他基因载体不同，高分子囊泡的“流动”膜结构（fluid membrane）可为生物分子提供进出通道，实现核酸的可控包载与释放；同时，作为一种“软材料”，其流动的膜结构又很容易在流体中变形、压缩以及折叠，完成递送任务，从而解决上述矛盾。
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)，然后通过自组装制备了高分子囊泡，具有区别于传统囊泡的非均相膜结构。这种非均相膜结构功能多样，但通常在热力学上不稳定，较难制备。因此，作者引入了可光交联的香豆素衍生物CMA以保证囊泡膜的稳定性。20℃时，囊泡的“包载通道”打开，siRNA、pDNA等可以在水溶液中直接包载；将温度恢复至37℃，通道关闭，囊泡膜对包载的生物大分子起到有效的保护作用；当囊泡被细胞摄取后，可以通过“质子海绵效应”打开“释放通道”，释放生物大分子。此外，“包载通道”还可以作为二级释放通道，以提高释放效率。通过包载绿色荧光标记的siRNA，作者验证了该囊泡被细胞摄取及细胞质递送的能力。作者进一步包载了pDNA，通过L02细胞体外转染实验验证了释放通道的可行性，并利用裸鼠验证了该设计的有效性。
图2. “双门控”高分子囊泡的制备及功能实现。
需要指出的是，作者在37℃及20℃分别进行了质粒的包载实验，二者包载率存在显著差异。37℃时，囊泡膜上的包载通道关闭，质粒仅通过静电吸附作用吸附于囊泡膜表面（“包载率”12.1%）；而20℃下，包载通道打开，质粒既可以通过静电作用吸附于囊泡表面，也可以进入囊泡内部（“包载率”达34.2%）。结果表明，环状的质粒被成功包载进入囊泡。后续转染实验证明，吸附在囊泡表面的质粒难以转染得到绿色荧光蛋白，进一步证明了利用“双门控”高分子囊泡包载、递送核酸的重要性及必要性。
图3. 不同温度下包载质粒实验：37℃时，质粒仅吸附在囊泡表面，无法转染得到绿色荧光蛋白（GFP）。20℃时，质粒既有吸附又有包载，提高了包载率，且实现了GFP转染。
该研究解决了一些与核酸递送相关的重要科学问题，对设计功能高分子囊泡、拓宽其应用领域具有启发意义。
该工作得到了中央高校基本科研业务费等支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01985
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