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杜建忠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

来源:材料科学与工程学院  发表时间:07/31/2018 阅读次数:6280
      近日,同济大学材料科学与工程学院高分子材料系、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。
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“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。
      杜建忠教授课题组首先利用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,杜建忠教授课题组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,杜建忠教授课题组验证了该囊泡被细胞摄取及细胞质递送的能力。杜建忠教授课题组进一步包载了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。
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“双门控”高分子囊泡的制备及功能实现
      需要指出的是,杜建忠教授课题组在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。
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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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