吴富根&陈战 JACS: 一种光调控的细胞核药物递送平台

【引言】

细胞核是细胞的控制中心，在细胞的生长、代谢、分化和死亡等过程中起着重要的作用。同时，细胞核的功能异样与癌症、心功能不全和脑失调等疾病的产生息息相关，因此细胞核成为许多药物最重要，也是最终的靶点。然而，由于细胞摄取药物的过程非常复杂，如何将药物高效的递送到细胞核中依旧是亟需解决的一大难题。药物的细胞核递送面临着以下几重屏障，首先需要使药物顺利通过细胞膜，富集在细胞内部。其次，很多药物在进入细胞后不可避免地被溶酶体捕获并且难以从溶酶体逃逸，在溶酶体中偏酸性的环境下发生降解，导致其不能进入细胞核中发挥药效。此外，细胞核表面存在核孔复合物，通常只能允许小分子量的物质自由进出细胞核，而分子量较大的物质及粒径较大的纳米颗粒则难以穿过核孔复合物。因此，对于很多纳米药物而言，即使它们能够成功地从溶酶体逃逸，但由于核孔复合物的阻拦，这些纳米药物依然无法达到细胞核，从而极大限制了其药效的发挥。目前最常用的药物进核策略是利用核定位多肽来增强细胞核对纳米药物的摄取，但这种方法的进核效率十分有限，并且不适用于粒径较大的纳米颗粒。因此，如何发展出一种高效的进核策略来增强小分子药物及纳米药物在细胞核内的富集成为了一个亟待解决的问题。

【成果简介】

日前，东南大学生物科学与医学工程学院、生物电子学国家重点实验室的吴富根教授和美国密歇根大学的陈战教授合作，合成了以多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）为核心，接枝有光敏剂孟加拉玫瑰红（RB）和聚乙二醇分子（PEG）的自组装纳米载药平台(PPR NPs)，首次实现了光控的细胞核膜通透性调节，并促进了细胞核对小分子药物以及纳米材料的摄取。相关成果以题为“Development of a Light-Controlled Nanoplatform for Direct Nuclear Delivery of Molecular and Nanoscale Materials”发表在Journal of the American Chemical Society上，吴富根教授陈战教授为该论文的共同通讯作者，东南大学硕士生祝雅璇和博士生贾浩然为共同第一作者。东南大学为该论文第一完成单位。相关工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金优秀青年基金、中央高校基本科研专项资金、江苏省高层次创新创业人才引进计划（即“双创人才”）和江苏省“六大人才高峰”计划的支持。

【图文简介】

图1 PPR NPs合成及细胞核小分子药物递送示意图

(a) PPR NPs合成及组装示意图；

(b) PPR NPs 细胞内吞及光促溶酶体释放及细胞核膜通透性调节示意图。

图2 PPR NPs材料表征及细胞内吞图

(a) PPR NPs 的动态光散射表征结果及透射电镜图；

(b) RB和PPR NPs的荧光发射光谱；

(c) RB和PPR NPs在532 nm激光照射下的单线态氧产生情况；

(d) RB和PPR NPs与人肺癌细胞（A549）共孵育后的共聚焦成像效果图；

(e) PPR NPs在4℃及叠氮化钠处理下与A549共孵育后的共聚焦成像图；

(f) PPR NPs 处理的A549细胞与溶酶体染料的共定位效果图。

图3 PPR NPs光照破坏溶酶体及细胞核膜富集效果图

(a) A549细胞光照前后的吖啶橙染色成像效果图；

(b) PPR NPs在不同pH下的单线态氧产生；

(c) PPR NPs 在不同pH下的荧光发射光谱；

(d) PPR NPs处理过的A549细胞在光照前后与细胞核染料Hoechst33342共染的成像效果图；

(e) 图d中PPR NPs及Hoechst33342荧光统计图。

图4 PPR NPs促进纳米颗粒进核效果

(a)PPR NPs调控核膜通透性并促进大尺寸纳米颗粒进核示意图；

(b)PPR NPs在光照条件下协助普鲁士蓝和金纳米棒进入细胞核成像图。

【小结】

本工作合成了以POSS为核心，接枝有光敏剂RB及PEG分子的纳米自组装结构，通过pH响应的单线态氧产生及多氨基引起的质子海绵效应实现了光控的溶酶体逃逸，并且进一步富集于核膜区域实现了细胞核膜通透性的调节。此外，该材料不仅能够作为纳米载体装载小分子物质实现高效进核，还能够通过这种光触发破坏核膜的方法实现其他纳米颗粒（如金纳米棒和普鲁士蓝纳米颗粒）的进核。相比于常见的细胞核药物递送策略（如核定位多肽修饰），这种利用光调控物质进核的方法可控性强，进核效率高，打破了核孔对进核物质尺寸和形貌的限制，并且具有很好的普适性。

文章链接：Development of a Light-Controlled Nanoplatform for Direct Nuclear Delivery of Molecular and Nanoscale Materials.（JACS，2018，DOI: 10.1021/jacs.7b13672）

本文由吴富根教授和陈战教授团队供稿。

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