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纳米大小的容器可以进入细胞内并传递药物和基因治疗

约翰霍普金斯医学院的科学家们报告说,他们已经创造了一个微小的、纳米大小的容器,它可以潜入细胞内部,提供基于蛋白质的药物和任何大小的基因疗法;甚至连附在名为CRISPR的基因编辑工具上的大家伙都有。如果它们是由生物可降解聚合物制成的;通过更多的实验室测试,它可以提供一种有效地将更大的化合物输送到特定的靶细胞的方法。

他们的研究报告发表在12月6日的《科学进展》杂志上。

 

 

大多数药物以不分青红皂白的方式在体内扩散,并不针对特定的细胞。有些药物,如抗体,可以附着在细胞表面受体上,但我们没有良好的系统将生物药物直接输送到细胞内部,而在细胞内部,治疗方法最有可能正常发挥作用,副作用也更少。

乔丹·格林博士,研究小组组长,生物医学工程师

许多学术和商业的科学家一直在寻找更好的交通系统疗法,绿色表示,生物医学工程教授,眼科,肿瘤,神经外科,材料科学与工程,化学和生物分子工程学和约翰霍普金斯大学医学院和彭博社的一员~ Kimmel癌症免疫疗法约翰霍普金斯研究所。

一些商业上可用的技术使用剥离形式的病毒——以其直接“感染”细胞的能力而闻名——;提供治疗,虽然非感染性版本的这些传递系统可以释放一个不想要的免疫系统的反应。例如,其他针对患病血细胞的治疗方法就比较麻烦,需要患者的血液被移走,然后用一种电流打开细胞膜上的小孔,以便进入细胞。

Green和他的团队在约翰霍普金斯大学开发的纳米容器借鉴了病毒特性的一个想法,其中许多病毒在形状上接近球形,带有正负电荷。由于总体电荷较为中性,病毒可以靠近细胞。但许多生物药物却不是这样,它们由高电荷、大蛋白质和核酸组成,往往会击退细胞。

为了克服这个问题,研究生袁瑞开发了一种新的生物可降解聚合物材料。聚合物是由许多分子组成的物质的总称。为了制造聚合物,瑞把它们串在一起;像树枝一样——;四种成分分子,随着时间的推移,分解并溶解在水里。这些分子含有正电荷和负电荷。

在正电荷和负电荷的平衡下,分子根据它们的电荷来推拉,它们的氢原子与附近的生物疗法结合。其结果是一个包含生物疗法的纳米结构。

纳米容器的正电荷与细胞膜相互作用,容器被一种叫做核内体的细胞包裹体吞没。

一旦进入,这个纳米大小的容器就会打开核内体,聚合物就会降解,让药物在细胞内发挥作用。

为了测试他们的发明,芮成钢制造了一个含有小蛋白质的纳米容器,并把它喂给培养皿中的老鼠肾脏细胞。她将一个绿色荧光标签贴在这个小蛋白上,发现大部分细胞都是亮绿色的斑点,这表明该蛋白被成功地传递了。

然后,芮包装了一种更大的蛋白质:人类免疫球蛋白,一种通常用于增强免疫系统和抗体治疗模型的疗法。这一次,她发现90%的肾细胞被连接在免疫球蛋白上的绿色荧光标记点亮。

“当纳米颗粒进入细胞时,它们通常会被隔离在核内体中,从而降解其内容物,但我们的实验表明,蛋白质包裹均匀地散布在大多数细胞中,而不是卡在核内体中,”Rui说。

对于一个更大的挑战,Rui创造了一个包含CRISPR蛋白和核酸复合物的纳米包装,它可以关闭绿色荧光信号,或者当CRISPR复合物切断细胞基因组的一部分时,使细胞发出红色的光。研究人员发现,在实验室培养的细胞中,多达77%的细胞可以通过基因编辑使基因失效,约4%的细胞可以添加或修复基因。

芮成刚说:“考虑到其他基因编辑系统,你可能只有不到10%的机会得到正确的基因剪切结果,这是非常有效的。”以crispr为基础的疗法有潜力使药物更加精确,因为它们能够精确地针对导致疾病的遗传缺陷。一些CRISPR疗法正在进行临床试验。

在最后一个实验中,芮和她的同事将脑癌细胞植入老鼠的大脑。她将含有基因编辑成分的纳米容器直接注射到老鼠的大脑中,并分析它们的细胞是否会发出红色的辉光,这表明基因编辑是成功的。她发现脑癌细胞在她注射的地方几毫米远的地方发出红色的光。

芮说:“五年前我刚开始这个项目的时候,科学家们不认为可以用病毒以外的东西来把这些疗法注入细胞。”“开发新技术可以帮助我们更多地了解疾病,也可以帮助我们更多地了解新药。”

瑞和格林正试图使纳米容器更稳定,这样它们就可以被注射到血液中,并针对具有特定遗传特征的细胞。

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