Sci Adv | 程义云/平渊合作开发新型蛋白质胞内递送材料

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蛋白质胞内递送是指将外源蛋白质或多肽等生物分子递送到细胞内，从而实现细胞生物学功能的调控、疾病的治疗等作用。相比于基因转染，蛋白质胞内递送具有巨大的优势，递送到细胞内的功能蛋白质能够迅速的响应，无需经过转录以及翻译的复杂过程，且避免递送基因所产生的插入基因组风险，降低脱靶风险，作用完成后易被降解，从而避免对细胞的长期毒副作用。但是，由于蛋白质分子量较大，表面电荷数量较少，自身无法通过细胞膜进入细胞，同时由于蛋白结构的复杂性，以及易于降解或失活的特性，所以导致现如今蛋白质胞内递送面临着严峻的挑战。因此若使蛋白质能够高效穿过细胞膜，并实现溶酶体快速逃逸，进入细胞质内，就需要借助各种形式的递送载体来实现胞内递送。但是目前众多的递送载体（外泌体囊泡、细胞穿膜肽、脂质体、高分子载体及无机纳米颗粒等）普遍存在的问题包括需要对蛋白质预修饰、递送效率低及对种类多样的蛋白递送无普适性。这其中的原因主要是由于蛋白质种类多，分子量、空间结构、电荷分布差异巨大，因而开发具有普适性广的蛋白质递送载体挑战巨大。同时由于蛋白质表面的电荷分布不均、结合位点少，导致蛋白质与载体的相互作用困难，不能形成易于被细胞内吞的纳米复合物。开发具有普适性的蛋白质胞内递送载体具有重大的科学意义，是解决目前蛋白生物大分子给药治疗的关键所在。

2019年6月12日，来自华东师范大学生命科学学院程义云教授和浙江大学药学院平渊研究员合作在Science Advances杂志发表题为 A boronic acid–rich dendrimer with robust and unprecedented efficiency for cytosolic protein delivery and CRISPR-Cas9 gene editing 的研究长文，该研究使用了含苯硼酸修饰的树枝状高分子材料作为蛋白质的胞内递送载体，对不同分子量和等电点的蛋白质均具有高效的递送效率，包括牛血清白蛋白（BSA）、藻红蛋白（R-PE）、β-半乳糖苷酶（β-Gal）、绿色荧光蛋白（GFP）、黄色荧光蛋白（YFP）、红色荧光蛋白（RFP）、辣根过氧化物酶（HRP）、核糖核酸酶A（RNase A）、皂角素（saporin）、细胞色素C（Cyt C）、胰蛋白酶（trypsin）和溶菌酶（lysozyme）等各种常见类型的蛋白质。同时，该载体也能够有效且安全高效地将基因编辑核糖核蛋白复合物（CRISPR-Cas9）递送到不同类型的细胞浆内，在不同的基因组位均有较高基因编辑效率。同时，此高分子载体与蛋白结合后，可以很好保持蛋白质的生物活性，并具有良好的生物相容性。

众所周知，阻碍蛋白质与阳离子高分子结合的关键是蛋白质表面的正电荷基团，包括氨基（赖氨酸残基）、咪唑（组氨酸残基）和胍基（精氨酸残基）。研究者的设想在阳离子高分子表面修饰能与这三种阳离子基团相互作用的功能基团，使阳离子高分子可以通过自身的正电荷结合蛋白质的负电荷基团，通过修饰的功能基团结合蛋白质表面的正电荷基团，通过多种非共价相互作用力形成复合物，实现蛋白质的高效胞内递送。针对以上设想，研究者通过在树枝状高分子材料表面修饰一定接枝度的苯硼酸实现上述功能。一方面苯硼酸分子能与阳离子基团氨基或咪唑基团，在中性条件下形成氮-硼配位键；另一方面带有苯环结构的苯硼酸能通过苯环与胍基形成阳离子-π相互作用。利用这一原理，含苯硼酸的阳离子高分子通过氮-硼配位、离子相互作用、阳离子-π等多种相互作用与蛋白质结合，解决了阳离子高分子与蛋白质的结合问题。所设计的蛋白质递送载体具有胞内递送效率高，细胞毒性小，制备成本简单，能够有效且安全地将不同性质的蛋白质递送到细胞质中，不需要对蛋白质分子进行化学修饰，对各种类型的蛋白质具有普适性，可望在不久的将来被广泛应用于蛋白生物大分子给药治疗。

图1. 含苯硼酸修饰的高分子材料的设计以及其在蛋白质胞内递送中的应用。

据悉，华东师范大学生命科学院刘崇懿博士，浙江大学药学院、中山大学药学院万涛为本论文的共同第一作者，华东师范大学生命科学学院程义云教授和浙江大学药学院平渊研究员为论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw8922