【生化】Angew：可降解硅纳米颗粒——细胞内自然蛋白定点运输的新载体

线粒体（mitochondra）是一种具有双层膜结构的细胞器，它为整个细胞运作提供能量，是有氧呼吸的主要场所，因此被称为细胞的“能量工厂”（power house）。线粒体的重要性还在于它参与了细胞分化、信息传递和细胞凋亡等生物学过程，与细胞生长和调控细胞周期息息相关。因此，基于线粒体在细胞生命活动中扮演的重要角色以及其内的各种物质在细胞生理病理过程中发挥的作用，科学家们发展出了各种针对线粒体的疾病治疗手段，但是如何在复杂的细胞环境中准确地将药物及相关组分运输到线粒体仍是一项难题，特别是涉及到自然蛋白及抗体的靶向运输更是难点中的难点。

图1. 硅纳米颗粒的组成及其运输自然蛋白过程示意图

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

近日，新加坡国立大学化学系的Shao Qin Yao教授和南京工业大学先进材料研究院的李林教授联手开发了一种细胞内天然蛋白及抗体的运输方法。他们以可生物降解的硅纳米颗粒（BS-NPs）为载体，将自然蛋白或者抗体通过五步运输到线粒体内并与线粒体结合（图1）：首先，纳米颗粒借助于其表面上利于穿透细胞膜的聚二硫化物（CPD）进入到细胞内；之后CPD与谷胱甘肽（GSH）反应从纳米颗粒上脱落；接着纳米颗粒通过线粒体靶向基团三苯基膦（TPP）进入线粒体中；经过一段时间后，纳米颗粒在GSH的作用下分解，蛋白或者抗体被释放，进而与线粒体结合。该成果以“Mitochondria-Targeting Intracellular Delivery of Native Proteins by Using Biodegradable Silica Nanoparticles”为题发表于《德国应用化学》（DOI: 10.1002/anie.201901699）。

纳米颗粒的制备较为简单。首先，作者通过文献报道的方法合成了含有蛋白质的硅纳米颗粒（Protein@BS-NPs），之后再在纳米颗粒表面修饰上三苯基膦和叠氮基团，最后通过两步生物正交反应将CPD修饰到纳米颗粒上，便得到了目标产物CPD-TPP-protein@BS-NP。在得到了纳米颗粒之后，作者首先对其细胞穿透性、线粒体靶向性进行了研究（图2）。结果表明，含有CPD的纳米颗粒可以最大程度地穿透细胞膜到达细胞内，这证明CPD确实有利于细胞对纳米颗粒的吞噬。而细胞的共定位实验也表明，纳米颗粒在进入到细胞内部后可以在线粒体中富集，这说明靶向基团三苯基膦的确可以牵引纳米颗粒到线粒体中。

图2. 不同纳米颗粒的细胞穿透能力及线粒体定位能力

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

硅纳米颗粒的主要作用是运输蛋白质，因此其结构不能在进入到目标位置之前被破坏，而在达到特定位置后又需要其能够及时的分解以释放出所运输的蛋白质（图3）。这便要求纳米颗粒既要有一定的稳定性，又要能在细胞内进行分解。作者通过TEM及共聚焦显微镜监测了纳米颗粒分解情况。结果表明，纳米颗粒在GSH存在下可以稳定存在约12小时，之后便会在48小时内分解完全，这种稳定性给与了纳米颗粒足够的时间进入细胞内并且达到线粒体附近，而细胞内测试也给出了类似的结果。

图3. 纳米颗粒对自然蛋白及抗体的运输

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

最后，作者通过纳米颗粒分别将单胺氧化酶A（Monoamine oxidase A ，MAO-A）及细胞色素c氧化酶亚型2抗体（anti-MTCO2 antibody）运输到了线粒体内，这表明他们所设计的纳米颗粒确实具有运输自然蛋白和抗体的能力。

全文作者：Peiyan Yuan, Xin Mao, Xiaofeng Wu, Si Si Liew, Lin Li, and Shao Q. Yao。