分享一篇發(fā)表在Nature Biotechnology上的文章，題目為“Self-assembling protein nanoparticles for cytosolic delivery of nucleic acids and proteins”，通訊作者是哈佛醫(yī)學(xué)院的Chaikof教授和Chen助理教授，前者的研究興趣包括生物醫(yī)學(xué)工程、新材料和療法的開發(fā)，后者的研究興趣包括免疫系統(tǒng)中的靶點(diǎn)識(shí)別和新療法開發(fā)。
細(xì)胞內(nèi)生物大分子（如核酸、蛋白質(zhì)）的高效遞送是基因治療和蛋白質(zhì)療法的關(guān)鍵瓶頸?，F(xiàn)有遞送系統(tǒng)（如病毒載體、脂質(zhì)納米顆粒）存在免疫原性、毒性或規(guī)模化生產(chǎn)困難等問題。本研究中，作者開發(fā)了一種治療性生物大分子的遞送系統(tǒng)（elastin-based nanoparticles for therapeutic delivery，ENTER），實(shí)現(xiàn)了對(duì)mRNA、DNA、siRNA、蛋白質(zhì)及基因編輯核糖核蛋白（RNP）的高效胞質(zhì)遞送。
彈性蛋白樣多肽ELP由短重復(fù)基序VPGXG組成，在低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)可溶，高于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)可逆地相分離形成不溶性凝聚物。作者先前報(bào)道了兩親性雙嵌段ELP，它們能自組裝成具有親水表面和疏水核心的膠束納米顆粒，可用于蛋白質(zhì)和小分子向細(xì)胞外靶點(diǎn)遞送（本工作中的第一代ELP），但可能由于不能介導(dǎo)有效的內(nèi)體逃逸導(dǎo)致無法進(jìn)行蛋白的細(xì)胞內(nèi)遞送。
在V1-ELP的基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)了新的三代ELP，其中V2-ELP通過在疏水核心序列中引入組氨酸殘基，使其能夠響應(yīng)低pH（內(nèi)體酸化觸發(fā)解組裝）增強(qiáng)內(nèi)體逃逸，釋放藥物分子。V3-ELP又在ELP的N端融合了經(jīng)典穿膜肽（EEP，如S10），增強(qiáng)膜滲透性，但EEP暴露在納米顆粒表面，導(dǎo)致高的細(xì)胞毒性。最后，通過將EEP融合在疏水核的C端，不僅顯著降低了ELP顆粒的細(xì)胞毒性，還能夠在內(nèi)吞完成后響應(yīng)內(nèi)體的酸性環(huán)境發(fā)生解體，從而暴露穿膜肽，介導(dǎo)藥物分子的內(nèi)體逃逸。實(shí)驗(yàn)表明，ELP-S10顆粒遞送Cre酶的效率遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用S10，且具有低劑量、低毒性的優(yōu)勢(shì)。
為了提高V4-ELP的遞送效率，作者使用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的序列設(shè)計(jì)優(yōu)化了EEP的序列：利用多元線性回歸方法，基于已發(fā)表數(shù)據(jù)集中73個(gè)穿膜肽的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練了遞送效果的預(yù)測(cè)模型，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選符合條件的序列并打分，選擇排行靠前的序列進(jìn)行SP10的結(jié)構(gòu)類似化以后，評(píng)估體外遞送實(shí)驗(yàn)效果。初次設(shè)計(jì)得到的遞送效率最高的兩條EEP（1和5）具有明顯但低于SP10的遞送性能，作者又把這兩條肽的結(jié)構(gòu)特征——正電氨基酸是K而不是R加入到篩選條件中，第二輪設(shè)計(jì)成功得到了比SP10更高遞送效率的EEP14和EEP13。
作者還對(duì)EEP序列的多聚化進(jìn)行了優(yōu)化，然后分別在不同的遞送場(chǎng)景中評(píng)估了ENTER系統(tǒng)的泛用性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ENTER在HEK293中遞送SpCas9的效率與商用專業(yè)化脂基遞送系統(tǒng)CRISPRMAX相當(dāng)，而ABE8e堿基編輯器的遞送效率優(yōu)于CRISPRMAX；向多種原代細(xì)胞中遞送Cre酶的編輯效率高于LNP；向巨噬細(xì)胞遞送IRF5轉(zhuǎn)錄因子成功誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞重編程產(chǎn)生促炎表型；向細(xì)胞遞送mRNA或質(zhì)粒DNA的遞送效率與商用試劑相當(dāng)；同時(shí)遞送SpCas9 mRNA和sgDNA達(dá)到26%的編輯效率；還能對(duì)Ai9小鼠通過ELP-EEP13/Cre復(fù)合鼻內(nèi)給藥，在小鼠大氣道上皮細(xì)胞實(shí)現(xiàn)25.4%的基因編輯，而LNP基因編輯效率僅3.9%。
總的來說，這篇工作通過理性設(shè)計(jì)和人工智能篩選，創(chuàng)造了兼具高效性與安全性的多種生物大分子通用遞送系統(tǒng)，為基因治療和蛋白質(zhì)藥物開發(fā)提供了變革性工具。
本文作者：ZZX
責(zé)任編輯：LYC
DOI：10.1038/s41587-025-02664-2
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41587-025-02664-2
