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  近日，同濟大學材料學院高分子材料系、同濟大學附屬第十人民醫院杜建忠教授課題組設計了一種具有“雙門控”系統的智能納米高分子囊泡，該囊泡可將質粒包載在其內部空腔，實現基因遞送及轉染。相關成果以“Dually Gated Polymersomes for Gene Delivery”為題，發表在美國化學會著名期刊《納米快報》上（Nano Lett. 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01985；影響因子：12.08）。同濟大學博士生王方英凱為第一作者，杜建忠教授為通訊作者。

  高分子囊泡在小分子藥物的包載與遞送領域具有很多優勢。但是，有些生物大分子（如質粒，pDNA）本身尺寸就較大，難以有效進行可控包載和釋放。因此，如何高效包載、遞送生物大分子一直以來是該領域的重大挑戰。杜建忠教授課題組致力于解決這個問題。2014年，課題組設計并制備了“人工核膜”高分子囊泡（Nuclear envelope-like vesicles，ACS Nano 2014, 8, 6644–6654），通過調節pH值這一“單一門控”的方式，實現了在水溶液中直接包載生物大分子（蛋白質、核酸等）的目標，其包載的蛋白質不僅活性未受影響，還能顯著提高其生物催化活性。2015年，課題組設計并制備了靶向腫瘤干細胞的siRNA高分子囊泡載體（Biomacromolecules 2015, 16, 1695–1705），成功實現了siRNA的細胞質遞送，并顯著抑制了腫瘤干細胞成球，進一步推動了生物大分子載體的研究進展。

  針對環狀質粒尺寸大、難包載、難釋放的研究難點，杜建忠教授在前期工作基礎上，設計了一種具有“雙門控”系統的智能納米高分子囊泡，該囊泡具有非均相的膜結構，室溫下可以在水溶液中直接包載siRNA以及pDNA等生物大分子，保護其在遞送過程中不被降解，并在細胞中定向釋放。體外與動物實驗均證明了這種設計思路的可行性。

圖1. “雙門控”高分子囊泡的設計思路及基因轉染的動物實驗結果。

  設計質粒載體時，通常會遇到一個矛盾。受限于質粒較大的尺寸與構象，其載體要求有較大的空腔以實現包載與保護，但尺寸增大的同時又會增加遞送難度。與其他基因載體不同，高分子囊泡的“流動”膜結構（fluid membrane）可為生物分子提供進出通道，實現核酸的可控包載與釋放；同時，作為一種“軟材料”，其流動的膜結構又很容易在流體中變形、壓縮以及折疊，完成遞送任務，從而解決上述矛盾。

  作者首先利用RAFT聚合方法合成了嵌段聚合物PEO-b-P(NIPAM-stat-CMA-stat-DEA)，然后通過自組裝制備了高分子囊泡，具有區別于傳統囊泡的非均相膜結構。這種非均相膜結構功能多樣，但通常在熱力學上不穩定，較難制備。因此，作者引入了可光交聯的香豆素衍生物CMA以保證囊泡膜的穩定性。20℃時，囊泡的“包載通道”打開，siRNA、pDNA等可以在水溶液中直接包載；將溫度恢復至37℃，通道關閉，囊泡膜對包載的生物大分子起到有效的保護作用；當囊泡被細胞攝取后，可以通過“質子海綿效應”打開“釋放通道”，釋放生物大分子。此外，“包載通道”還可以作為二級釋放通道，以提高釋放效率。通過包載綠色熒光標記的siRNA，作者驗證了該囊泡被細胞攝取及細胞質遞送的能力。作者進一步包載了pDNA，通過L02細胞體外轉染實驗驗證了釋放通道的可行性，并利用裸鼠驗證了該設計的有效性。

圖2. “雙門控”高分子囊泡的制備及功能實現。

  需要指出的是，作者在37℃及20℃分別進行了質粒的包載實驗，二者包載率存在顯著差異。37℃時，囊泡膜上的包載通道關閉，質粒僅通過靜電吸附作用吸附于囊泡膜表面（“包載率”12.1%）；而20℃下，包載通道打開，質粒既可以通過靜電作用吸附于囊泡表面，也可以進入囊泡內部（“包載率”達34.2%）。結果表明，環狀的質粒被成功包載進入囊泡。后續轉染實驗證明，吸附在囊泡表面的質粒難以轉染得到綠色熒光蛋白，進一步證明了利用“雙門控”高分子囊泡包載、遞送核酸的重要性及必要性。

圖3. 不同溫度下包載質粒實驗：37℃時，質粒僅吸附在囊泡表面，無法轉染得到綠色熒光蛋白（GFP）。20℃時，質粒既有吸附又有包載，提高了包載率，且實現了GFP轉染。

  該研究解決了一些與核酸遞送相關的重要科學問題，對設計功能高分子囊泡、拓寬其應用領域具有啟發意義。

  該工作得到了中央高校基本科研業務費等支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01985