【纳米】西安电子科技大学王忠良团队Adv Sci：仿生丝状肌动蛋白脂质体用于生物大分子的胞内递送- 大数跨境

【纳米】西安电子科技大学王忠良团队Adv Sci：仿生丝状肌动蛋白脂质体用于生物大分子的胞内递送

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2024-01-09

导读：西安电子科技大学王忠良团队开发了一种仿生F-actin的纳米平台用于蛋白质的高效细胞质递送。

生物大分子胞内递送的困难

尽管包括蛋白、核酸在内的生物药物具有广泛的医疗应用前景，但是如何向细胞内高效递送（高转染效率、高活性）这些生物药物仍然是一个棘手的问题。现有的药物递送载体进入细胞大多通过内吞作用，它们进入细胞后大部分被溶酶体降解和被胞吐到细胞外，只有不到10%的药物能够进入细胞质。

丝状肌动蛋白可促进膜融合过程

肌动蛋白（Actin）是细胞骨架的重要组成部分，在细胞的迁移、分裂、原生质的流动、囊泡和细胞器的运动、细胞间信息的传递、细胞的形状等细胞活动中扮演着重要的角色。肌动蛋白分为球状肌动蛋白（G-actin）和丝状肌动蛋白（F-actin）。G-actin通过非共价作用聚集成F-actin的过程被发现能够增加细胞膜的张力，促进膜融合过程。因此，仿生F-actin可能是构建药物递送纳米平台的一种新策略。

仿生丝状肌动蛋白脂质体可作为生物大分子递送载体

近期，西安电子科技大学王忠良团队开发了一种仿生F-actin的纳米平台用于蛋白质的高效细胞质递送。该纳米平台展现出与细胞膜模拟物的快速融合，能通过膜融合作用将蛋白质药物递送进入细胞质，产生极高的蛋白转染效率和转染活性。该纳米平台还能够递送抗肿瘤蛋白产生优异的肿瘤细胞抑制能力。相关工作发表在Advanced Science。

在这项研究中，作者首先设计嵌在脂质双分子层中的花菁染料CyBI7聚集体模拟支撑细胞膜的非共价键聚集体仿生丝状蛋白（F-actin）的，得到CyBI7-IL。如图1所示，CyBI7-IL的近红外吸收峰明显红移，证明CyBI7确实在脂质双分子层中形成了聚集体。进一步的分子动力学模拟（图2）证实CyBI7在IL的脂质双分子层中形成包含2-4个单体的小聚集体，并呈现出典型的J聚集形态（滑移的平面）。表面张力的计算结果则进一步证实了CyBI7聚集体具有增加膜张力的作用，CyBI7-IL与不含CyBI7的IL的表面张力分别为-4.7 mN/m和-0.32 mN/m。脂质体中CyBI7聚集体产生的张力约等于4.7万个F-actin分子产生的张力，证明CyBI7聚集体有仿生F-actin的潜力。

图1. CyBI7-IL以及对照脂质体的基本表征

图2. CyBI7-IL和对照脂质体的分子动力学模拟结果

如图3，作者进一步探究了CyBI7-IL与细胞膜模拟物的膜融合效率，发现其融合效率非常高，接近100%，与胃癌细胞BGC-823作用后，与细胞膜具有很好的共定位效果，与溶酶体的共定位较少，证明CyBI7-IL能够与细胞膜发生高效融合，并且以膜融合的方式进入细胞。

图3. CyBI7-IL的膜融合能力验证

作者进一步验证了CyBI7-IL对模型蛋白的递送能力。如图4，CyBI7-IL递送绿色荧光标记的牛血清白蛋白（BSA-FITC）进入细胞后，蛋白以弥散状分布，验证了其通过膜融合进入细胞。蛋白质活性是评估蛋白递送效果的重要指标。β-半乳糖苷酶（β-Gal）是一种能和底物反应生成蓝色物质的模型蛋白。其自身进入细胞非常困难，而用CyBI7-IL不仅可以高效递送β-Gal进入细胞质，而且其活性高达94%，而常用的商品化脂质体转染试剂lipofectamine 3000 （LPF3k）组的蛋白活性仅有34%，暗示了膜融合脂质体在递送生物大分子方面的优越性。此外，细胞摄取机制研究表明CyBI7-IL进入细胞完全不依赖于内吞过程。

图4. CyBI7-IL递送蛋白进入细胞的摄取和活性研究

绿色荧光蛋白（GFP）也是蛋白递送研究中常用的模型蛋白。作者通过GFP进入细胞后与溶酶体的共定位较少，证明了CyBI7-IL通过膜融合方式递送蛋白进入细胞（图4）。

图5. CyBI7-IL递送GFP进入细胞的摄取和机制研究

最后，作者用CyBI7-IL递送了抗肿瘤蛋白DNase I，发现其抗肿瘤效果明显优于对照组，暗示了CyBI7-IL具有较好的蛋白递送应用潜力。

图6. CyBI7-IL递送抗肿瘤蛋白的研究结果

结论与展望

这篇文章开发了一种含疏水花菁染料聚集体的脂质体CyBI7-IL作为一个非常强力的蛋白质递送载体。脂质双分子层中的CyBI7聚集体确实能够模拟丝状肌动蛋白，增加膜张力和促进膜融合。接着，通过多项实验验证了CyBI7-IL能够高转染效率和高活性地递送蛋白质，因为它进入细胞完全不依赖于内吞作用，绕过了溶酶体降解。最后，作者确认了CyBI7-IL能够递送抗肿瘤蛋白，改善其抗肿瘤效率。这项研究提供了一个高效的蛋白递送工具。该工具也可以拓展用于递送质粒和mRNA等核酸药物，为基因治疗和细胞治疗提供重要支持。

本文的第一作者为夏玉琼，西安电子科技大学副教授，研究方向为药物递送、基因递送、疾病诊疗；共同通讯作者为张象涵，西安电子科技大学副教授，研究方向为生物正交智能探针、智能传感探针及肿瘤的诊疗和肿瘤生物力学研究；最后通讯作者为王忠良，西安电子科技大学教授，研究方向为智能分子影像探针、智能药物/基因递送载体、智能合成免疫（细胞免疫、工程菌、疫苗）和肿瘤精准诊疗一体化系统。

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