背景
01
生物聚合物在核酸治疗中的潜在应用
生物聚合物（biopolymer）表现出动态的骨干折叠，其中特定位点的分子内相互作用决定了整体结构。动态、能量驱动的折叠和生长与结构刚度和长度控制的结合是合成聚合物自组装中难以实现的，因此在核酸传递、刺激响应生物材料和软机器人方面有潜在应用。
近期发表在Nature Communications的一篇文章《Heat-activated growth of metastable and length-defined DNA fibers expands traditional polymer assembly》研究了一种新型的DNA寡核苷酸的自组装行为，作者选用序列定义的DNA低聚物bC88-DNAa由8个支链烷基链单体单元组成，包含8个碳，bC8，附加在19个任意DNA序列上(图1)。这些寡核苷酸能够在加热过程中激活并生长成为长度可控的超分子纤维，而在温度降低时这些纤维会缓慢解聚。这种独特的热激活和热稳定化的自组装行为，为合成聚合物的自组装提供了新的视角。
图1 bC88-DNAa的分子结构及其自组装示意图
实验和计算结果表明，两亲性DNA低聚物的热激活和稳定组装是基于疏水片段卷曲成螺旋形状，激活单体形成纤维的条件。这种卷曲构象的稳定性及其包装成细长超分子纤维的能力高度依赖于低聚物主链长度和每个单体的支链烷基链长度之间的平衡。（图2）在组装之后，纤维慢慢地重新平衡成短的圆柱体和球体，因为疏水尾部坍塌成更球状的状态。通过用结构相关的DNA寡聚体颗粒接种自组装，获得了分散性非常低的长度限定纤维。添加小分子通过在其单股DNA冠状结构内形成氢键交连，在室温下稳定了这些亚稳纳米纤维，使其在生物材料和核酸治疗技术中的潜在应用成为可能。
图2 纤维的形成是由低聚物构象决定
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48722-2
02
化学聚合物递送生物大分子
基因治疗成功的一个关键步骤是将治疗性核酸有效地传递到细胞内，治疗性生物大分子(包括核酸和蛋白质)的细胞内递送在各种疾病的生物治疗中受到广泛关注。
四川大学张骥课题组发表《Lipoic Acid-Based Poly(disulfide)s as Versatile Biomolecule Delivery Vectors and the Application in Tumor Immunotherapy》。文章中开发了一种由改性硫辛酸制备的聚二硫化合物，用于有效递送pDNA，siRNA和蛋白质。
图3 聚二硫化合物递送生物大分子示意图
采用光交联聚合的方法制备了两种改性硫辛酸单体(锌-二聚胺类似物(ZnDPA))和胍(GUA)。所得聚二硫化合物的含二硫主链对还原环境有响应，有利于货物的释放。通过筛选ZnDPA和GUA的投料比例，得到的聚二硫醚在递送质粒DNA和siRNA等核酸方面表现出比市售转染试剂更好的性能。
除了核酸外，蛋白质也可以通过聚合物有效地传递到细胞中，而不会明显失去活性，这表明聚合物在传递各种生物分子方面具有通用性。并在E.G7OVA荷瘤小鼠身上验证了材料的体内治疗作用。基于OVA的纳米疫苗诱导了强烈的细胞免疫反应，特别是CTL细胞免疫反应，抑制了肿瘤的生长。这些结果揭示了聚二硫醚在基因治疗和免疫治疗方面的应用前景。
这篇文章是发表在Nano Today的一篇研究论文，题为《Non-covalent delivery of native proteins and peptides by phenylboronic cell-penetrating poly(disulfide)s》，本文提出了一种由穿透细胞的环状五元二硫化物(CFMD)单体(M1)和苯硼酸CFMD单体(M2)，使用硫醇化聚乙二醇(PEG-SH)作为引发剂，通过开环聚合而成的聚(二硫化物) (PBA-CPDs)（图4）。得到的聚(二硫化物)可以通过多种非共价力直接复合多种天然的、未修饰的蛋白质和肽，复合物可以主要通过应变促进的硫醇介导的易位被细胞内化，由丰富的细胞内谷胱甘肽诱导，从而及时释放活性形式的蛋白质或肽，并使载体的细胞毒性最小化。
作者通过改变[M1]/[M2]单体比例获得了一系列聚(二硫化物)，为了的到最佳比例，作者对比了在Hela细胞中由不同聚(二硫化物)介导的R-PE转染效率的平均荧光强度，从而得到了最佳比例聚合物PBA-CPD-6。
此外，透明质酸（HA）可以作为一种活性肿瘤靶向配体，特异性识别Hela细胞膜上过度表达的CD44受体。鉴于PBA-CPD-6/saporin复合物的正电荷和网状内皮系统在体内可能的快速清除，作者用透明质酸(HA)涂覆PBA-CPD-6/saporin纳米颗粒以保护表面电荷以提高血液循环中的血清稳定性。透明质酸对聚(二硫化物)复合物的表面包被使得功能性蛋白质的系统递送成为可能，证明了它们在体内的治疗潜力。
图4 谷胱甘肽介导的多(二硫)与多种天然蛋白的络合、胞质易位过程和蛋白释放的示意图
综上，聚合物作为非病毒载体在生物大分子药物递送中具有可扩展性、多样性、靶向性和免疫原性较低等优势，在核酸递送和基因治疗领域具有潜力。
文章链接：1）https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.3c00231
2）https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102283
03
聚合物优化提高递送效率
聚合物载体具有灵活性和多样性的特点，因此可以通过设计成不同的化学结构和功能，以适应不同类型的治疗性核酸和治疗目标。
近期发表在JACS Au的文章《Enhancing pDNA Delivery with Hydroquinine Polymers by Modulating Structure and Composition》研究了如何通过调节结构和组成来增强基于羟基奎宁（hydroquinine）聚合物的质粒DNA（pDNA）传递能力。
作者选用对苯二酚功能化单体（HQ）使用RAFT共聚以及自由基均聚的方法，构成了一系列不同摩尔比的基于奎宁的聚合物。此外开发了一种使用流式细胞仪分析多聚物颗粒的方法，并证明了聚合物组成和单体结构对多聚物三个关键特征的影响：每个多聚物颗粒负载的pDNA量、蛋白质在颗粒上的吸附程度以及蛋白质介导的pDNA从颗粒中的释放。
虽然聚合物与pDNA的结合力会随着聚合物中HQ比例的增加而单调增加，但在细胞研究中，HQ含量分别为25%和35%（HQ-25和HQ-35）时，转染效率最高。在维持转染效果96小时，HQ-25和HQ-35也优于QCR以及标准转染剂jetPEI和Lipofectamine 2000。
图5 HQ-X递送pDNA示意图
此外,聚合物化学和纳米颗粒特性会影响纳米药物在体内的药代动力学（包括循环时间和组织趋向性），因此可以通过调整这些参数来优化其在体内的分布和靶向性。
近期发表在Nature Communications上的文章《Enhancing in vivo cell and tissue targeting by modulation of polymer nanoparticles and macrophage decoys》通过调整poly(amine-co-ester)(PACE)聚合物纳米粒(NPs)和巨噬细胞诱饵(macrophage decoys)的特性来增强体内细胞和组织靶向性的研究。
研究发现循环半衰期以及组织和细胞的向性依赖于聚合物化学、载体特性、剂量和分布调节剂的战略共同施用，这表明生理命运可以通过调整这些参数来优化。
首先，研究发现PACE-PEG修饰的纳米颗粒相比未修饰的PACE纳米颗粒在血液中循环时间更长，分布更广泛，且随着给药剂量的增加，纳米颗粒的循环半衰期延长，且在肝脏和脾脏以外的器官中分布增加（图5）。其次，通过预先给予不同类型的巨噬细胞诱饵（如脂质乳、空白PLGA纳米颗粒、抗红细胞抗体）（图6），研究了这些诱饵如何影响PACE NPs的血液浓度和生物分布。结果表明，巨噬细胞的预先占据可以改变纳米颗粒的分布，使其在肝脏和脾脏以外的器官中积累，尤其是预先提供空白PLGA纳米颗粒。
图6 PACE组成及NP特性对血药浓度及生物分布的影响
图7 在肝脏和脾脏中消耗或占据巨噬细胞的诱饵示意图
这些结果表明，通过调整聚合物化学、纳米颗粒特性、给药剂量以及使用巨噬细胞诱饵，可以有效地优化纳米颗粒在体内的药代动力学行为和生物分布，从而提高核酸治疗剂的靶向传递效率。
文章链接：1）https://doi.org/10.1021/jacsau.3c00126
2）https://doi.org/10.1038/s41467-024-48442-7
总结
综上，随着基因治疗和mRNA疫苗的发展，核酸药物在医学领域变得越来越重要，脂质和聚合物纳米颗粒代表了基因药物临床翻译的主要方法。虽然近年来在聚合物载体研究方面取得了显著进展，开发了多种类与结构的递送平台，但通过研究不同的聚合物化学结构、纳米颗粒特性、给药剂量以及靶向性等的策略性优化，仍将为基因治疗和免疫治疗提供了新的思路和方法。
本课题组常年全球招募具有化学材料、基因治疗、生物医学和生物信息等相关背景的副研究员、助理研究员、博士后和科研助理。
有意者请将简历发送至宋杰老师邮箱：jiegroup@126.com，或点击此处查看详情。
往期回顾
Nano Letters | 通过局部电穿孔的大功能蛋白和蛋白-核酸结构的细胞递送
Bioactive Materials | 氟化两亲性聚(β-氨基酯)纳米颗粒高效特异性地向肺毛细血管内皮递送核酸
ACS Nano | 可通过血脑屏障递递送核酸的M13噬菌体
