科学家劫持自然递送系统，将工程蛋白发送到靶细胞

身体中的每个细胞都有自己独特的递送系统，科学家们正在利用该系统将革命性的生物药物——蛋白质、RNA等分子及其组合——运送到身体的特定病变部位

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型容器，有效地将工程蛋白输送到靶细胞，并引发细胞基因表达的变化

这一成功来自于鼓励工程蛋白向特定的细胞膜结构移动，研究人员发现这增加了蛋白质附着在容器上的可能性

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：生物医学工程师Neha Kamat和化学和生物工程师Josh Leonard。Kamat实验室主要专注于合成容器的设计，并利用生物物理学原理来控制靶向其他细胞的分子。Leonard的实验室开发了构建这些天然递送容器的工具，称为细胞外囊泡（EV）

Justin Peruzzi和Taylor Gunnels作为Kamat实验室的博士生共同领导了这项研究。Gunnels在实验室的工作正在进行中，完成博士学位的Peruzzi在一家蛋白质药物公司担任科学家

该论文的合著者、麦考密克工程学院的副教授Kamat说：“我们有兴趣应用一些关于如何将蛋白质定位到特定膜结构的生物物理学见解，以便我们劫持这个自然系统。在这项研究中，我们发现了在保持其功能的同时非常有效地将药物装载到这些囊泡中的一般方法。”

这种“货物装载”方法的关键是细胞膜上称为脂筏的位点。这些区域的结构比膜的其他部分更为复杂，并且可靠地含有特定的蛋白质和脂质

由于EV膜含有与脂筏中相同的脂质，研究人员假设，与脂筏结合的蛋白质可以被装载到EV中，使其能够被输送到其他细胞

利用蛋白质数据库和实验室实验，研究小组确定他们的脂质筏结合方法能够将高达240倍的蛋白质装载到囊泡中

在该方法的实际应用中，该团队改造细胞以产生一种名为转录因子的蛋白质。他们将其装载到电动汽车中，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

Kamat和Leonard说，将治疗性货物装载到电动汽车中的主要挑战是生产细胞和受体细胞经常相互矛盾。例如，在产生EV的细胞中，您可能会设计治疗性货物与膜紧密结合，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可取的，因为货物可能需要从EV膜释放并移动到细胞核以执行其生物功能

答案是创造具有可逆功能的货物

Gunnels说：“在构建基于电动汽车的药物时，能够实现可逆膜结合的工具可能非常强大。”。“尽管我们还不确定确切的机制，但我们通过我们的方法看到了这种可逆性的证据。我们能够证明，通过调节脂蛋白相互作用，我们可以装载和功能性地递送我们的模型治疗货物。”

这项研究使研究人员更接近解决生物医学开发的主要瓶颈，确定如何确保脆弱分子穿过身体到达患者的患病细胞，而不影响健康细胞

研究人员表示，他们渴望在免疫疗法和再生医学的疾病应用中尝试这种方法

合著者、麦考密克教授伦纳德说：“如果我们能将功能性生物医学装载到电动汽车中，这些电动汽车被设计成只将这些生物分子输送到患病细胞，我们就可以打开治疗各种疾病的大门。” More information: Justin A. Peruzzi et al, Enhancing extracellular vesicle cargo loading and functional delivery by engineering protein-lipid interactions, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49678-z

Journal information: Nature Communications