科学家利用天然运载系统将工程蛋白质送至目标细胞

身体中的每个细胞都有自己独特的输送系统，科学家正在致力于利用该系统将革命性的生物药物(如蛋白质、RNA 和两者的组合等分子)运送到身体特定的患病部位。

西北大学的一项新研究劫持了运输系统，并发送了病毒大小的微小容器，有效地将工程蛋白质运送到目标细胞并引发细胞基因表达的改变。

成功的关键在于鼓励工程蛋白质向特定的细胞膜结构移动，研究人员发现这增加了蛋白质锁定在容器上的可能性。

该论文于 7 月发表在《自然通讯》杂志上，认为这项新技术可以推广，为实现靶向生物药物输送的目标铺平了道路。

研究人员

这项研究结合了西北大学合成生物学中心两个实验室的工作成果：生物医学工程师 Neha Kamat 和化学与生物工程师 Josh Leonard。Kamat 实验室主要专注于合成容器的设计，并使用生物物理原理来控制针对其他细胞的分子。Leonard 的实验室开发了构建这些天然输送容器的工具，称为细胞外囊泡 (EV)。

贾斯汀·佩鲁齐 (Justin Peruzzi) 和泰勒·冈内尔斯 (Taylor Gunnels) 是卡马特实验室的博士生，他们共同领导了这项研究。冈内尔斯在实验室的工作仍在进行中，而佩鲁齐已获得博士学位，目前在一家蛋白质药物公司担任科学家。

该方法

“我们感兴趣的是应用一些已经出现的关于如何将蛋白质定位到特定膜结构上的生物物理见解，以便我们能够劫持这个自然系统，”该论文的共同通讯作者、麦考密克工程学院副教授卡马特说。“在这项研究中，我们发现了将药物货物非常有效地装载到这些囊泡中同时保留其功能的一般方法。”

这种“装载货物”方法的关键是细胞膜上称为脂质筏的区域。这些区域比膜的其余部分更具结构性，并且可靠地包含特定的蛋白质和脂质。

由于 EV 膜含有与脂筏中相同的脂质，研究人员推测，经过设计与脂筏相关的蛋白质可以装载到 EV 中，从而将它们运送到其他细胞。

通过蛋白质数据库和实验室实验，研究小组确定他们的脂筏结合方法能够将多达 240 倍的蛋白质装载到囊泡中。

在该方法的实际应用中，研究小组对细胞进行改造，使其产生一种称为转录因子的蛋白质。他们将其装载到 EV 中，然后将其递送到细胞中，以改变受体细胞的基因表达，而不会在递送时损害蛋白质的功能。

关键挑战

Kamat 和 Leonard 表示，将治疗性货物装入 EV 的主要挑战在于生产细胞和受体细胞通常相互矛盾。例如，在生产 EV 的细胞中，你可以设计治疗性货物使其与膜紧密结合，以增加其进入即将释放的 EV 的机会。然而，这种行为在受体细胞中通常是不受欢迎的，因为货物可能需要从 EV 膜释放并移动到细胞核中才能发挥其生物学功能。

答案是创造具有可逆功能的货物。

Gunnels 表示：“在构建基于 EV 的药物时，实现可逆膜关联的工具可能非常强大。虽然我们还不确定确切的机制，但我们的方法看到了这种可逆性的证据。我们能够证明，通过调节脂质-蛋白质相互作用，我们可以装载和功能性地运送我们的模型治疗货物。”

这项研究使研究人员距离解决生物医药发展的一个主要瓶颈更近了一步，即确定如何确保脆弱的分子穿过身体到达患者的病变细胞而不影响健康细胞。

研究人员表示，他们渴望尝试利用药物货物的方法，用于免疫治疗和再生医学中的疾病应用。

“如果我们能够将功能性生物药物装入经过设计仅将这些生物分子递送至患病细胞的电动汽车中，我们就可以打开治疗各种疾病的大门，”共同通讯作者兼麦考密克教授伦纳德说。

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