Advanced Materials|非病毒基因递送的表面盖蛋白纳米颗粒

开发简单、安全且高效的非病毒递送系统仍是生物工程领域的重大挑战。纳米颗粒具备有前景的基因递送能力且毒性较低;然而，长期以来，与有效质粒封装和递送相关的挑战存在。本文报道了一种新型基于蛋白质的纳米颗粒平台，通过电流体动力喷射制备，具有有效的质粒封装和释放能力。蛋白质血清白蛋白作为纳米颗粒的结构成分，包裹质粒。为避免化学交联，蛋白质基纳米颗粒通过与多阳离子聚合物的界面复合物进行表面封闭。表面覆盖蛋白纳米颗粒（scPNPs）在生理 pH 值下表现出优异的稳定性，且有效载荷比极高，达到 10%至 40%的 wt/wt，相当于每个 scPNP 可获得 28–99 个质粒。scPNPs 的摄取效率超过 95%，并参与巨型细胞增生和网格蛋白介导的内吞通路。在优化非病毒基因疗法时，可以调整有效载荷或纳米颗粒剂量。对于 scPNPs，增加纳米颗粒剂量比增加载荷更有效，导致在相同质粒量下转染率提高 1.6 倍。为了展示其翻译潜力，scPNPs 被用来有效封装信使 RNA（mRNA）并转染原代人类 T 细胞，同时保持高细胞存活率。这项工作不仅推动了优化纳米颗粒基因递送设计选择的基本理解，也展示了 scPNPs 在细胞治疗中的潜力。

该研究以题为“Surface-Capped Protein Nanoparticles for Nonviral GeneDelivery”发表在Advanced Materials上。

图1

scPNP的合成与表征。（A）scPNP的制备流程示意图。（B）喷射后（表面封端前）蛋白质纳米颗粒的SEM图像及直径表征。C）经PEI表面封端并滴涂到硅片表面后，蛋白质纳米颗粒的SEM图像及直径分析。频率数据来自5张不同图像中的单个颗粒统计。（D）scPNP的DLS流体动力学直径分布（对应图C）：数均DLS（nDLS，虚线）和强度DLS（iDLS，实线）。（E）用水收集的蛋白质纳米颗粒（解组装状态）的DLS流体动力学直径分布，强调了聚阳离子界面复合对稳定蛋白质纳米颗粒的重要性。SEM比例尺为1 µm。图A基于Biorender绘制并修改。

图2

scPNP的均一性、稳定性、pH响应及载药量评估。（A）STEM-EDS显示喷射后蛋白质纳米颗粒（pDNA/白蛋白质量比为10%）中pDNA的空间分布（P=磷，N=氮）。比例尺50 nm。（B）scPNP以及pDNA在有无DNAse1孵育条件下的凝胶电泳分析。（C）通过DLS测量的scPNP在水中的稳定性：数均DLS（粉色）、强度DLS（黑色）和多分散指数（绿色）。数据中的±表示n=3个样品的标准差。（D）不同pH下scPNP的直径变化。数据为n=3个样品的均值±标准差。（E）pH 7和pH 4时scPNP的数均DLS曲线。（F）不同pDNA载量（pDNA/白蛋白质量比）下scPNP的SEM直径分布（f1）和DLS直径分布（f2）。SEM比例尺1 µm。DLS包括数均（绿色）、强度均（黑色）和体积均（粉色）。（G）不同pDNA载量下喷射后PNP的干态直径和圆度：10%（黑色）、20%（粉色）、30%（绿色）、40%（紫色）w/w。（H）不同pDNA载量下scPNP的流体动力学直径和Zeta电位。在（D,E）和（G,H）中，n=3，误差线表示标准差。采用单因素方差分析（ns=无显著性）。

总结

一种叫scPNP的纳米颗粒，专门用来递送大分子的核酸。研究人员用电液动力喷射技术，把血清白蛋白和pDNA或者mRNA一起喷成纳米颗粒，再拿稀释的支化聚乙烯亚胺（bPEI）溶液做表面封端。这样做的好处是，PEI只待在颗粒表面，不跟里面的核酸直接接触，既避免了化学交联剂，又能在生理pH下稳定12天。pDNA的载量可以从10%调到40% wt/wt，每个颗粒里最多能塞进去99个质粒，而且颗粒大小和形状基本不变。

转染实验发现，在总质粒量相同的情况下，多加点颗粒比单纯提高载量更管用——颗粒剂量翻四倍，转染率能提高1.6倍，最高达到50%的GFP阳性率。细胞摄取的效率也高得离谱，高剂量下4小时就有超过93%的细胞吞进去了，走的是巨胞饮和网格蛋白介导的内吞两条路。最亮眼的是在人原代T细胞上的表现：负载mRNA的scPNP转染效率达到25%，是Lipofectamine MessengerMax的四倍，而且细胞活力还能维持在96%左右。这个平台既灵活又安全，有望替代电穿孔那些老方法。

参考文献：