华中科技大学吴钰周教授团队：蛋白质“作茧自缚”策略实现光响应蛋白药物胞质递送和光控基因编辑

目前FDA批准的蛋白质偶联物均是与聚(乙二醇)(PEG)共价连接的形式，这种蛋白质-聚合物偶联的策略在提高蛋白质药物的生物利用度方面具有很高的临床应用价值。然而，虽然这样的策略存在很多的优势，但如何在保证偶联所带来的优势前提下，不影响蛋白质的活性仍然是一个巨大的挑战。华中科技大学吴钰周教授团队报道了一种蛋白质“作茧自缚”策略，让蛋白质给自己编织一层可光降解的聚合物茧状外壳，有效地保护蛋白质在黑暗中不被降解；通过定点光照，能够定时释放“茧”内的功能蛋白质，实现“破茧成蝶”，完全释放蛋白质原有的功能和活性。同时还实现了基因编辑元件Cas9/sgRNA复合物的高效递送，并且在体外和体内均实现了高效光控启动的基因编辑。这项研究为功能蛋白的光控递送提供了一种通用的方法，也为解决CRISPR-Cas9基因治疗的脱靶毒性提供了独特的策略。

蛋白药物的应用通常受到生物体内快速酶降解、低组织渗透和全身给药带来的副作用的限制。近年来，众多蛋白质化学改造的策略被相继报道出来。其中，蛋白质非共价化学修饰能够在不改变蛋白质结构和活性的前提下快速释放内含蛋白，但存在封装不均匀和难以质控的缺点。蛋白质共价化学修饰可以为内含蛋白质提供稳定保护，避免泄漏并可获得较高的重现性。然而，释放后的蛋白质通常含有化学修饰残基，可能会降低蛋白质的活性，也存在装载效率不高的问题。此外，现有的蛋白质递送体系通常仅适用于特定的蛋白质，例如带较多正电荷或负电荷的蛋白质、疏水性的蛋白质或带特殊标签的蛋白质。目前尚缺少一种可靠的普适性蛋白递送策略，能够兼具高稳定性蛋白递送和时空可控高效蛋白药物释放的特点。

光控靶向治疗作为一种非侵入性、易操作的时空可控治疗方式对肿瘤等重大疾病的靶向治疗具有重要意义。光响应蛋白质递送能够在暗循环期间有效地保护内含蛋白质，同时通过光刺激释放内含蛋白质，是一种理想的靶向蛋白药物递送方式。现有的光响应蛋白递送策略通常将蛋白质负载在碳纳米管、上转换纳米材料等光响应纳米材料的表面，因此仅适用特定电荷或疏水性的蛋白质，也存在非特异性蛋白泄露和降解、蛋白质活性降低等问题。

最近，华中科技大学吴钰周教授团队通过在功能蛋白质上进行原位自由基聚合反应，使蛋白质通过“作茧自缚”的方式包裹上一层可光控降解的聚合物外壳，可以实现对内含蛋白质分子的有效保护和胞内递送，在光照下聚合物外壳快速无残留分解，从而可控地释放内含蛋白质。研究基于非特异性蛋白质化学修饰策略，以蛋白质表面氨基为锚点原位构建了光响应的高分子聚合物茧状外壳。就如同蚕蛹作茧自缚一样，其不仅能够保护内含蛋白质，同时还可以通过调控蛋白质聚合物分子表面的电荷分布，促使复合体高效跨过细胞膜，实现胞内递送。结合光响应设计，该研究实现了在目的蛋白递送到细胞质之后光响应无残留的释放，且完全恢复目的蛋白的活性，实现了“破茧重生”。

此外，该研究还将这套体系应用在CRISPR/Cas9基因编辑系统，实现了对基因编辑元件Cas9/sgRNA的高效胞内递送，在多种模型细胞系中实现了光响应启动的基因编辑。同时，借助上转换纳米材料（UCNPs），将紫外光启动拓展到近红外光启动，降低了光毒性，增加了光的组织透过深度，拓宽了该体系的应用范围，也为利用光控基因编辑降低基因治疗的脱靶风险提供了一个新的策略。

图1. 光裂解蛋白质聚合物茧状外壳的制备，聚合物网络的光解脱交联机理和活细胞中蛋白质的光触发释放方案示意图

论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士于淮滨（现就职于哈工大郑州研究院），通讯作者为华中科技大学化学与化工学院吴钰周教授，由华中科技大学生命科学与技术学院的高尚邦教授、张燕教授、武汉大学基础医学院的侯炜教授、陈述亮教授和深圳技术大学的赵伟宁教授共同合作完成。详见：Huaibin Yu, Meron Tsegay Kifle, Lili Chen, Feihong Xiong, Yan Zhang, Shangbang Gao, Wei Hou, Shuliang Chen, Weining Zhao, Yuzhou Wu*. Traceless Photodegradable Polymer Cocoons for Universal Protein Delivery and Light-controlled Gene Editing. Sci. China Chem., 2023, doi.org/10.1007/s11426-023-1708-3.

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【通讯作者简介】

吴钰周，华中科技大学化学与化工学院教授，国家级青年人才，国家重点研发计划青年项目负责人。主要从事蛋白、核酸等生物大分子的理性设计与改造研究，在非天然酶的设计和生物光催化、非天然生物大分子材料等领域取得了系列研究成果。在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表科研论文100余篇，授权中国发明专利8项，受邀合编学术专著4章。

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