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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:万博博彩官网材料科学与工程学院 时间:2018-08-02 点击数:
    近日,万博博彩官网大学材料科学与工程学院高分子材料系、万博博彩官网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)。万博博彩官网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