摘要
核酸药物通过在细胞质或细胞核中发挥作用,调控基因表达,在获得性或遗传性疾病治疗以及疫苗开发等方面有重要意义。目前开发的多种核酸递送载体,通过细胞内吞经内体/溶酶体途径入胞,转染效率较低。本文介绍和分析了跨越溶酶体途径的核酸药物递送策略,包括膜易位、膜融合、受体/转运体介导的非内吞摄取和小窝介导的细胞摄取等,讨论了目前此类策略面临的问题和挑战,为核酸药物跨越溶酶体途径递送的发展提供参考。
近年来基因疗法发展迅猛,已有十余种核酸药物[包括反义寡核苷酸(ASO)、小干扰RNA(siRNA)和信使RNA(mRNA)等]被批准上市,还有众多核酸药物已进入临床研究阶段。核酸药物通过基因抑制、添加、替换或编辑等方式,调控相关基因的表达,用于获得性或遗传性基因紊乱引起的疾病的治疗,以及创新疫苗制剂的开
目前,多种核酸药物递送技术得到了广泛研究和发展。根据载体的来源,核酸药物递送体系可分为病毒载体和非病毒载
基于非病毒载体的化学递送方法,通常使用脂质纳米颗粒(LNP,包括可电离脂质、辅助脂质、胆固醇和聚乙二醇-脂质等成分)或可电离/阳离子胺基聚合物等合成载体压缩和封装核酸药物。相比于病毒载体和物理方法,非病毒化学载体具有更好的生物安全性和生物相容性、更简单的制备工艺,以及更低的生产成本等优势,应用前景广阔。已被美国FDA正式批准上市的针对新型冠状病毒感染(COVID-19)的两种 mRNA疫苗Comirnity(BNT162b2)和 Spikevax(mRNA-1273)均使用LNP作为核酸药物载
本文总结了目前基于非病毒载体的递送方法,重点讨论跨越内体/溶酶体途径、直接胞质递送核酸药物的策略,主要包括膜易位、膜融合、受体/转运体介导的非内吞摄取和小窝介导的摄取等(

Figure 1 Schematic illustration of intracellular delivery strategies for nucleic acid drugs without endosome/lysosome pathway
特定的化学基团与细胞膜上的分子发生相互作用后,使细胞膜去稳定化,引起细胞外物质直接跨膜易位进入细胞质。细胞穿透肽(cell penetrating peptides,CPPs)及其衍生物细胞穿透聚二硫化物[cell penetrating poly (disulfide)s,CPD]是两类广泛使用的具有直接跨膜性质的聚合物载体,可以将负载的货物直接递送到胞质中,避免经过内体/溶酶体途径。
CPPs,也被称为蛋白转导域(protein transduction domains,PTDs),是一类可跨膜直接进入细胞内部的多肽,其长度一般不超过40个氨基酸残

Figure 2 Guanidine group of arginine has the electrostatic interaction and forms bidentate hydrogen bonds with anionic molecules on the cell surfac
经典的CPPs(如Tat肽等)通常需要较高的浓度(>10 µmol/L)才实现核酸药物的有效跨膜易位,但高浓度的CPPs可能会造成细胞膜的持续性破坏和细胞毒性。Kauffman
除了形成CPPs-核酸共价偶联物,CPPs也能通过非共价的方式(静电相互作用和疏水相互作用)与核酸药物结合。在CPPs上修饰疏水尾,有利于形成CPPs-核酸纳米复合物,并提高CPPs与细胞膜的亲和力,增强CPPs的膜扰动作用,促进易位作
研究表明,环化的富含精氨酸的CPP(cCPPs)相比于其线性形式能更有效地以非内吞方式被细胞摄取。例如,环化Tat肽(cTat)比线性Tat肽提前约15 min进入细胞,且在细胞中的累积水平更
受具有跨膜易位能力的CPPs启发,一系列具有胍基阳离子和不同合成聚合物骨架的细胞穿透肽模拟物被设计用于直接胞质递送货

Figure 3 Schematic illustration of the synthesis of the cell penetrating polymers and the cellular internalization of the PTn-R2-C6/pDNA polyplex through direct translocation mechanis
CPPs合成工艺成熟可控,是直接胞质递送核酸药物的常见且有力工具。但由于此类载体缺乏组织/细胞特异性,并且载体的强正电荷导致的膜扰动与破坏,具有一定的细胞毒性,因此,CPPs类载体更适合用于局部给药。目前,CPPs类载体仍未进入临床试验,为提高CPPs载体的体内可用性,可以考虑在CPPs/核酸复合物表面添加刺激响应的PEG部分,延长复合物在体内的循环时间,屏蔽复合物在到达靶组织/细胞前的部分正电荷,减少对非靶组织/细胞的毒性。
CPDs是CPPs的重要衍生物,近年来被广泛关注和研究。CPDs同样富含胍基阳离子,不同之处是在CPPs的多肽主干中插入了多个二硫键。由于细胞表面表达硫醇分子以抵御氧化环境,CPDs可以与表面的硫醇分子发生动态共价二硫键交换,实现膜易位。之后,CPDs与细胞内GSH发生二硫键交换,从细胞膜的内表面分离至细胞内部,并发生后续的还原响应降解(

Figure 4 Schematic illustration of direct translocation mechanism of CPD
带大量负电荷的核酸药物可以通过静电相互作用与CPDs非共价结合,形成CPDs/核酸复合物。以硫醇修饰的β-环糊精(βCD-SH)为引发剂,通过开环聚合可以得到星形聚合物载体βCD-CPD。其中,βCD通过疏水相互作用负载喜树碱(CPT),CPDs通过静电相互作用结合miRNA-203。βCD-CPD-miR-203复合物与HeLa细胞共孵育2 h后,均匀分布于胞质中,与溶酶体无明显共定位;同时,通过使用内吞抑制剂和硫醇封闭剂确证复合物通过硫醇介导的非内吞途径直接易位进入细胞。进入细胞后,载体βCD-CPD在GSH的作用下快速解聚,释放出CPT和miRNA,实现联合治疗,表现出最强的细胞毒性和生存素(survivin)表达抑制效
除了直接与核酸药物形成复合物外,CPDs还可以修饰于负载核酸的纳米颗粒(如介孔二氧化硅纳米粒,MSNs)表面,赋予其绕过内体/溶酶体途径进入细胞的能力。表面涂覆有CPDs的MSNs被用于同时直接向胞质递送3种诊疗组分:miR-21小分子抑制剂sm21、miR-21拮抗剂Ant21(ASO类似物)和聚乙二醇(PEG)连接的凋亡检测肽DEVD-AAN。sm21和Ant21协同抑制内源性miR-21的活性,其治疗效果可以用caspase响应的DEVD-AAN进行双光子荧光成像监

Figure 5 Schematic representation of CPDs-facilitated transmembrane transport of MSN-based theranostic nanosystem
近来,在递送寡核苷酸药物时,为避免CPDs载体单独合成的繁琐操作,可通过寡核苷酸模板辅助CPDs聚合(template-assisted polymerization)的方法直接制备寡核苷酸纳米球(ONs NPs)。在此方法中,无需引发剂,含有胍基阳离子的二硫化物单体通过多重盐桥紧密吸附并排列于ONs模板上,单体的有效局部浓度增加,从而促进自发开环聚合反应的发生和ONs NPs的形成。ONs NPs通过硫醇介导的摄取直接进入胞质中,并在还原性胞质环境中发生解聚,释放ONs发挥基因沉默功能。用该方法递送靶向生存素mRNA的ON,成功降低HeLa细胞中生存素蛋白的表达并诱导细胞死亡,疗效优于商用转染试剂Lipofectamin

Figure 6 Schematic image of the assembly and thiol-mediated uptake of ONs NP
CPDs类载体通过独特的硫醇介导的膜易位机制直接入胞,可以将不同类型的核酸药物高效递送到胞浆;并且,由于具有还原响应的性质,CPDs的生物相容性和生物安全性优于CPPs。因此,不管在临床前研究中,还是对于未来的临床转化,CPDs都具有巨大的发展前景。在后续的研究中,可以考虑设计基于CPDs的具有组织/细胞特异性和按需释放功能的纳米递送平台,用于实现核酸药物的时空精准释放和起效。
膜融合是实现细胞间信息交流与货物运输的基本生理过程,发生于整个生命周期中。膜融合过程中,在融合蛋白的作用下,膜的距离被拉近,脂质双层结构发生局部去稳定化和脂质重排,形成融合孔并扩大,最终两个单独的脂质层融合为一个连续的脂质层,使得细胞内容物发生混
目前已发现多种含不同组成成分的脂质涂层具有介导膜融合的功能。一种由二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)、(2,3-二油酰基-丙基)-三甲胺(DOTAP)和二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(DSPE-PEG)3种成分组成的脂质涂层可以实现有效的膜融合。其中DMPC作为主要的脂质成分,在脂质涂层中占比70%以上,由于其具有适宜的相转换温度(24 ℃),在生理温度(37 ℃)下为流态液晶相,具有一定的稳定性和结构灵活性,有利于膜融合。DOTAP作为阳离子脂质成分,可以吸引带负电荷的质膜,促进脂质层与质膜的接触和融合;PEG部分作为脱水剂,使融合脂质涂层与质膜之间的间隙脱水,在结构和能量上有利于膜融合的发
在以上3种脂质成分组成的融合脂质层上引入靶向肽,或者将脂质层与细胞膜杂交,再涂布于负载siRNA的纳米颗粒表面,可获得具有膜融合功能的靶向型脂质涂层纳米粒,实现特异且高效的基因沉默。例如,用多孔硅纳米颗粒(pSiNP)高效率负载沉默Irf5的siRNA,并在其表面涂覆修饰有M1型巨噬细胞靶向肽的膜融合脂质涂层,得到抗细菌感染的融合纳米体系(F-siIRF5-CRV)。F-siIRF5-CRV特异性地与巨噬细胞发生膜融合后,pSiNP在胞浆中迅速溶解,释放siRNA药物,在体外达到与标准转染试剂Lipofectamine相当的沉默效率(

Figure 7 Schematic illustration of cellular uptake and mode of action of fusogenic pSiNPs with the components of DMPC, DOTAP and DSPE-PE
另外,研究人员还开发出具有其他组分的膜融合脂质体,例如,二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、胆固醇琥珀酸单酯(CHEMS)和DSPE-PEG组成的脂质体已被报道通过膜融合方式直接胞质内递送DNA和短发夹RNA(shRNA)药物,用于肿瘤治
膜融合脂质体由于具有类似细胞膜的脂质双层和特定的成分而能够与细胞膜融合。膜融合脂质体合成方法成熟简单,具有载药量高以及表面易修饰的特点,并且通过掺入靶向配体等方式,可以实现与靶细胞的膜融合。目前报道的膜融合脂质体成分多样,但未有研究指出具有何种成分的脂质体能更有效地实现核酸药物的直接胞质递送。此外,为促进膜融合脂质体的发展和临床转化,可以进一步探究具有膜融合效率更高和稳定性更好的脂质体组成。
将整个细胞膜涂覆在纳米粒子表面,或者将单个细胞成分如膜蛋白整合到人工纳米体系中,可以制备得到仿生纳米颗粒,通过模拟自然界中广泛存在的细胞-细胞膜融合行为,实现核酸药物的直接入
天然细胞膜表面表达的各类融合蛋白(如AFF-1、EFF-1、CD9以及SNARE等),通过拉近细胞间的距离以及诱导膜去稳定化等过程来介导细胞间的膜融
将心脏成纤维细胞(CFs)重编程为诱导心肌细胞样细胞(iCM)对于心肌功能的再生有重要意义。在负载有miRNA 1、133、208和499(miR Combo)的MSNs上使用FH肽修饰的中性粒细胞膜(FNLM-miR),利用中性粒细胞归巢炎性部位以及FH肽与CFs表面肌腱蛋白-C(TN-C)特异性结合的性质,FNLM-miR可特异性靶向至受损心肌中的CFs,通过膜融合的方式将MSNs-miR直接递送到胞质中并发生随后的MSNs降解和miR Combo释放,在体外和体内成功将CFs重编程为功能性iCM。系统性给药后,FNLM-miR有效改善心肌缺血再灌注损伤小鼠模型的心脏纤维化,且具有良好的生物安全
circBBS9(一种非编码的环状RNA)通过circBBS9/miR-423-3p/Traf6轴在单核破骨前体细胞(pOCs)的融合中发挥调节作用,敲低circBBS9能特异性抑制pOCs的多核化,缓解多核破骨细胞(mOCs)的过量生成,有效治疗骨质疏松等溶骨性疾病。基于此,研究人员使用ROS响应的阳离子聚合物封装siRNA/shRN
天然细胞膜修饰的纳米颗粒具有生物相容性良好的优点,但制备过程的复杂性和高成本是其临床转化需要解决的问题。
外泌体是天然细胞分泌的细胞外囊泡,来源于内体区室/多泡体(MVB),具有非免疫原性和良好的生物相容性等特点。外泌体可携带核酸、蛋白质、脂质等多种内源性成分,参与细胞间信息通讯,因此也被开发作为递送外源性生物大分子至受体靶细胞的有效载体。另外,由于外泌体膜上有融合蛋白,外泌体可以通过非内吞依赖的膜融合将核酸药物直接递送到胞浆
外泌体的制备过程费时耗力,同时,将核酸药物导入到外泌体中也需要热激或电转等较复杂精细的操作,且外泌体的载药量较低。此外,除了需要递送的外源性核酸药物,外泌体中还可能存在其他内源性生物分子,这些物质对于受体靶细胞的影响还需进一步探究。
虽然利用天然的膜结构修饰载体或直接负载货物是有效且生物相容性良好的实现膜融合的方法,但制备这些天然膜来源的融合纳米系统需要专门的仪器设备和复杂费力的操作。选择将细胞膜(或病毒包膜)上具有融合功能的成分如融合蛋白(或其模拟物)或胆固醇单独集合在纳米粒子表面可以避免上述缺陷,是较为简单而可信赖的实现膜融合介导的细胞摄取的方法。
目前研究最广泛的融合蛋白之一是参与神经系统细胞间通讯的SNARE超家族(可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体)蛋白。表达在相对的膜表面的SNARE蛋白通过形成四螺旋卷曲螺旋束,迫使膜之间的距离缩小至2 ~ 3 nm,诱导脂质重排和相邻的脂质双层融
包膜病毒与宿主细胞间发生的膜融合使得病毒的基因组进入细胞中。早期有将灭活的病毒与脂质体混合以制备融合脂质体用于直接胞质递送基因药物的报道,但出于生物安全性方面的考虑,只将具有诱导膜融合功能的病毒融合蛋白修饰在脂质膜表面来构建模拟病毒的融合纳米粒子是更好的选

Figure 8 Schematic showing of VSVG decorated M1 EV to deliver siRNA through membrane fusion for cancer immunotherap
作为细胞膜的重要组成成分之一,疏水性小分子胆固醇易与哺乳动物细胞膜融合。小核酸等药物与胆固醇非共价结合后,可绕过内吞途径,直接进入胞浆中。通过设计与siRNA亲和基团偶联的化学标签胆固醇-乙锭,并在siRNA的双螺旋链中嵌入多个标签(siRNA与标签的比例约为1∶6),可以更好地掩蔽siRNA的强负电性并增强与细胞膜的相互作用,使siRNA以非内吞依赖的方式均匀大量地分布于胞质中;而共价偶联单个胆固醇分子的siRNA(Chol-siRNA)在细胞内呈现点状分布,与溶酶体共定位强,且分布量
Rotello课题组开发了由表面精氨酸功能化的金纳米颗粒(Arg-AuNP)壳与长链亚油酸核构成的纳米颗粒稳定的纳米胶囊(NPSCs)。NPSCs的稳定形成依赖于Arg-AuNP的胍基与脂肪酸油滴核的羧基之间的超分子胍基-羧基相互作用,以及阴离子货物与胍基阳离子的静电相互作用提供的侧向稳定作用。通过与细胞膜发生膜融合样疏水相互作用,NPSCs以胆固醇依赖的方式将生物大分子货物直接递送至胞质中,绕过内体/溶酶体途径。
NPSCs可用于直接胞质递送siRNA,避免内体捕获(

Figure 9 Schematic representation of the construction and delivery mechanism of NPSCs/siRN
NPSCs含有AuNP和长链脂肪酸等成分,组成和制备较为复杂,且各个成分的生物安全性还需进一步考察。
受体/转运体介导的非内吞机制使底物通过受体或转运体在细胞膜上形成的通道直接跨膜转运进入胞质中,因此可以利用这些受体/转运体将化学结构中含有或修饰有相应转运底物的货物直接递送至胞质中,从而避免货物被困于内体/溶酶体。
高密度脂蛋白(HDL)介导胆固醇逆转运,将外周组织的胆固醇转运到肝脏中进行代谢清除,这一过程需要清道夫受体B类I型(SR-BI)的参与。SR-BI是一种膜糖蛋白受体,在识别HDL的载脂蛋白A-I(ApoA-1)后,在细胞膜上形成疏水通道,介导胆固醇酯沿浓度梯度从HDL以非内吞的方式转运到肝细胞胞质
以同样的策略制备得到的重组HDL(rHDL,含有大豆磷脂、胆固醇、胆固醇酯和ApoA-1)可用于直接胞质递送沉默血管内皮生长因子的Chol-siRNA(Chol-siRNA-VEGF)。rHDL/Chol-siRNA-VEGF显著降低了MCF-7细胞中VEGF mRNA的含量和VEGF蛋白的表达,并在MCF-7荷瘤小鼠模型中显示出良好的长循环、靶向递送能力和显著的治疗效
L-型氨基酸转运蛋白1(LAT1) 是一种在肿瘤细胞表面高度过表达的跨膜蛋白,可按照浓度梯度将氨基酸底物以非内吞依赖的方式直接转运进入胞质内,用于满足肿瘤细胞过度增殖的蛋白质合成要求。最近,研究人员提出借助LAT1直接将修饰有H2O2响应结构域(N compound)和LAT1底物3,4-二羟基-L-苯丙氨酸(P compound)标签的蛋白质大分子(PN-Protein)转运到肿瘤细胞胞质中,绕过内吞途径。在胞质中过量H2O2的存在下,标签分子降解,蛋白质货物的结构和功能恢复(

Figure 10 Schematic showing of the structure, direct transport mechanism and H2O2-caused de-protection of the PN-Protein inside cancer cell
利用肿瘤细胞表面特异性过表达的受体/转运体,可以将偶联底物的生物大分子货物特异性递送至肿瘤部位。该策略通常涉及货物的共价修饰,为确保货物入胞后其生物活性不受影响,最好脱去与货物分子共价偶联的底物分子,恢复货物原本的结构。因此,可在货物与底物之间修饰具有肿瘤细胞胞质响应(如H2O2响应或GSH响应)性质的连接链,在前体货物被高效递送至肿瘤细胞胞质后,可发生前体货物的去保护。
除了以上提及的非内吞摄取途径,小窝介导的内吞摄取也能绕过溶酶体的降解途径。小窝是质膜表面的灯泡状凹陷,含有小窝蛋白(caveolin)、胆固醇和鞘磷脂等成分。小窝的直径为60 ~ 80 nm,广泛分布于内皮细胞、脂肪细胞和肌肉细胞等多种细胞表
在基于阳离子脂质二油酰丙基氯化三甲铵(DOTMA)和非离子表面活性剂聚山梨醇酯60的囊泡(DP60)中添加天然脂质成分番茄红素,得到新型基因递送载体DP60L。与DP60/pCMS-EGFP主要通过网格蛋白介导的细胞摄取不同,DP60L/pCMS-EGFP更倾向于通过小窝介导的内吞等非溶酶体途径进入细胞,从而减少质粒在溶酶体中的降解,显著提高在ARPE-19细胞中的转染效率。在大鼠视网膜下和玻璃体内给药后,DP60L/pCMS-EGFP均可有效转染至大鼠视网膜外
此外,运用内质网靶向策略,可以有效改变纳米颗粒的细胞摄取方式,实现小窝介导的内吞,从而改变胞内运输途径,减少溶酶体对核酸药物的降解。4-(2-氨基乙基)苯磺胺(ABS)通过识别内质网表面的磺酰脲类受体来靶向内质网。含有ABS的聚合物载体CA3S2通过小窝介导的内吞通路减少溶酶体对外源性pDNA的捕获,使得pDNA快速到达内质网并分布于细胞核周围,促进pDNA入核。与主要通过网格蛋白介导的内吞的PEI 25K/pDNA相比,CA3S2载体显著提高pDNA在4T1细胞中的转染和表达效率,包括报告基因质粒pGFP和治疗性基因药物程序性细胞死亡质粒(pPDCD4)。在小鼠4T1乳腺癌模型中,CA3S2/pPDCD4处理组显著抑制了肿瘤生长,且具有良好的生物相容
除了修饰小分子靶向配体,也可以直接在纳米颗粒表面修饰内质网膜,来有效实现小窝介导的内吞。在负载有沉默表皮生长因子受体(EGFR)的siRNA的阳离子脂质体(Cv/siEGFR NPs)表面修饰来源于肿瘤细胞的内质网膜得到杂合纳米复合物(EhCv/siEGFR NPs),与未修饰的Cv/siEGFR NPs相比,EhCv/siEGFR NPs通过小窝介导的摄取进入细胞,并通过内体—高尔基体—内质网途径转运siRNA药物,避免溶酶体对siEGFR的降解,显著提高siEGFR在体外的沉默效率,以及在MCF-7人乳腺癌裸鼠模型中的治疗效
值得注意的是,在研究小窝介导的内吞的初始阶段,有研究学者提出了“小窝体(caveosome)”的概念,认为其是一种pH为中性的不同于早期内体(pH 6.2)的独立细胞器。随后,这一概念被纠正,所谓的“小窝体”是一个假象,它是由C端标记了GFP的小窝蛋白过表达引起
核酸药物通过高特异性地调整基因的表达,在遗传病、肿瘤以及病毒感染等疾病中展现出良好的治疗效果。生物安全性更好的非病毒核酸载体在临床应用中展现出巨大的潜力,但由内体/溶酶体捕获引起的递送效率低下的问题急需解决。本综述总结了绕过内体/溶酶体途径的递送方法,包括膜易位、膜融合和受体/转运体介导的非内吞摄取等方式,与内体逃逸策略相比,这些递送策略可实现更好的转染效率和治疗效果。尽管已在细胞水平验证了以上直接胞质递送策略的可行性,然而,(1)CPPs仍缺乏明确的序列—结构—功能关系,阻碍了跨膜易位效率进一步的提高;(2)仿生膜融合体系的生物安全性以及扩大生产的可行性等仍需进一步考察和改进;(3)受体/转运体介导的非内吞摄取方式中,底物大量进入细胞后对细胞/生物体的影响尚不清楚;(4)对直接胞质递送的核酸药物的更灵敏直接的定量测定方法还比较缺乏;(5)体内复杂生理环境中,直接胞质递送的效率和有效性还有待验证;(6)通常使用染料木素或filipin等抑制剂来验证纳米颗粒是否通过小窝介导的通路进入细胞,但这些抑制剂的特异性还需进一步明确;(7)纳米颗粒通过小窝介导的内吞进入高尔基体后,高尔基体可能会将药物转运至细胞膜而非内质网,仍会造成药物损失,因此促进核酸药物到达内质网是小窝介导的细胞摄取策略中需要优化的部分。

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