华东师大80后杰青又一次在蛋白质胞内递送领域取得重要进展

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蛋白质治疗是当今生物医学领域的研究热点。相比于传统的小分子药物，蛋白质药物具有靶向性强、安全性好、疗效显著、FDA审批快等优势。然而基因组编码的蛋白质中超过70%难以通过细胞膜，这为蛋白质类药物的开发以及新蛋白质的功能研究造成了巨大的障碍。如何将蛋白质分子高效、安全地递送到目标细胞对于蛋白质治疗以及基础生物学研究至关重要。

2017年3月，华东师范大学生命科学学院/生命医学研究所程义云团队研发出一种可高效递送蛋白质和小肽的高分子材料，在多种细胞中达到100%的递送效率，而且不需要对蛋白质或小肽进行化学修饰，相关成果发表在ACS NANO杂志上，论文发表后还被Faculty of 1000推荐【1】。

程义云团队通过合理化设计，将蛋白质结合、细胞膜融合模块接枝到高分子上，获得了一种高性能蛋白质载体。高分子表面的胍基可通过氢键、盐桥与蛋白质结合，与胍基相邻的苯基可通过膜融合的方式促进蛋白质复合物从内涵体中逃逸。这种高分子在体外、体内均展现了极高的效率和生物相容性，适用于牛血清蛋白、藻红蛋白、绿色荧光蛋白、β-半乳糖苷酶、p53、细胞色素c、皂角素、不同序列的小肽等多种不能跨膜的生物分子，而且能保持这些分子的生物活性，具有重要的应用价值。

程义云团队在2014年还报道了含氟高分子在基因递送过程中的氟效应。这种含氟的高分子材料可以在接近电中性的状态下将外源DNA导入多种细胞内。在多种细胞中的基因转染效率可以达到90%以上，而且对转染的细胞毒性极低，相关成果发表在Nature Communications杂志上【2】。那么含氟高分子是否也能应用于蛋白质保内递送呢？

近日，程义云团队将含氟高分子成功应用于蛋白质胞内递送，在多种细胞中实现了高效的蛋白质递送。这种蛋白质递送方法的优点在于不需要对蛋白质进行任何的化学修饰，递送过程中不会造成蛋白质分子的变性，且递送后能够很好地维持这些蛋白质分子的生物活性，相关成果以“The fluorination effect of fluoroamphiphiles in cytosolic protein delivery”为题发表在Nature Communications杂志上。

在阳离子高分子材料上修饰含氟功能基团不仅能极大地提高其基因转染效率，还能够显著降低高分子材料的剂量，提高其抗血清性能，同时解决了阳离子高分子基因载体的几个瓶颈问题。含氟烷基链既疏水又疏油，可同时提高阳离子高分子的血清稳定性、细胞摄入、内含体逃逸，以及胞内核酸释放能力，从而大幅提高了其基因递送性能。此外，含氟高分子在水溶液中易自组装成纳米胶束或纳米聚集体，同时兼具阳离子高分子和脂质体类载体的优点【3】。

考虑到蛋白质胞内递送与基因递送的相似之处，研究人员推测可以利用含氟高分子优异的自组装性能以及其在胞外、胞内的独特理化性质，将蛋白质分子与含氟高分子共组装形成高分子复合物，进而打破蛋白质胞内递送过程中存在的多重屏障，实现高效的蛋白质递送。

然而，该研究并没有想象中的那么顺利，之前适用于基因递送的含氟高分子在蛋白质胞内递送中效率极低。经分析，这是由于蛋白质分子与核酸之间的差异造成的：所有的核酸分子均带有负电荷，可以通过静电相互作用与含氟高分子形成复合物，进而克服胞外、胞内的各种屏障；而蛋白质分子的带电状态不明确，依赖于其自身的等电点以及溶液的酸碱度，因此在含氟高分子基因递送中获得的经验并不适用于蛋白质递送。

为此，程义云课题组决定采用材料库的策略，重头筛选适用于蛋白质递送的含氟高分子材料，将不同的含氟小分子化合物接枝到聚乙烯亚胺上，得到了一个含氟高分子材料库，并对库中高分子材料的蛋白质递送性能进行筛选，成功获得了两种高性能含氟高分子材料，其蛋白质转染效率远超商业化转染试剂PulsinTM等。这些含氟高分子可以将包括牛血清白蛋白、β-半乳糖苷酶、皂角素，小肽等在内的多种蛋白质分子高效递送到不同的细胞中，且能够维持这些蛋白质或小肽的生物活性。

含氟高分子在蛋白质胞内递送过程中展现了优异的氟效应

更为可喜的是这些含氟高分子在递送蛋白质过程中展现了独特的氟效应。如果将含氟烷基链替换为传统的碳氢基烷基链，则所获得的两亲性高分子由于相似相容原理，容易滞留在细胞膜的表面，不能有效将蛋白质递送到胞内（上图）；而含氟烷基链既疏水又疏油、表面能低，更容易吸附到细胞膜的表面，并顺利通过细胞膜以及内涵体膜等生物屏障。

研究发现，含氟高分子更有利于与蛋白质组装成均一的纳米颗粒，对蛋白质的二级结构影响较小，有利于通过细胞膜，且具有较好的生物相容性，因而具有优异的蛋白质递送性能。对于含氟高分子的递送效率而言，含氟烷基链的长度以及接枝率至关重要。长链以及高接枝率更有利于体现氟效应，但是过度的亲氟基团会造成含氟高分子体现自组装程囊泡等超分子结构，这种超分子结构中的富氟双层膜会阻止蛋白质分子的装载，从而造成蛋白质递送失败，这也是适用于基因递送的含氟高分子为什么不能有效递送蛋白质的主要原因。因此，在设计含氟高分子用于蛋白质胞内递送时，需要特别注意含氟烷基链的长度及接枝率。

总的来说，该研究为新型蛋白质载体的设计提供了一种全新的思路。通过该方法制备的材料在蛋白质转染等生物技术领域具有重要的应用前景。目前，该课题组已经着手就本项技术开发一种新型蛋白质转染试剂，有望近期将其实现产品化，填补目前蛋白质转染试剂市场的空白。

据悉，该论文的第一作者为华东师范大学生命科学学院硕士研究生张振京，通讯作者为程义云教授。

程义云教授出生于1982年，28岁到华东师大任教授，35岁获得国家自然科学基金杰出青年基金项目支持。程老师有今天的成就可能主要得益于他本科高分子材料的学习背景和生物学博士的背景的交叉和融合，他长期致力于利用化学的方法开发生物大分子递送的高分子材料，近年来连续取得一系列原创性突破。我们知道，目前国内生命科学领域所用的各类转染试剂主要还是非常依赖于国外进口，价格十分昂贵，而且在蛋白质递送材料方面长期进展缓慢。因此，程教授团队的这些立足于国内的原创性成果有望填补国产试转染试剂的某些空白，在国际上引领一批新的技术方法。

附程义云教授简介：

程义云，1982年生，现为华东师范大学生命科学学院教授，国家杰青。2004年于中国科学技术大学高分子系获学士学位；2008年于中国科学技术大学生物系获博士学位，指导老师为施蕴渝教授；随后在美国圣路易斯华盛顿大学从事博士后研究，2010年被华东师范大学聘为教授，博导。主要研究领域为生物大分子递送相关的高分子材料。已在Nat. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.,Biomaterials, Nano Letters, ACS Nano等刊物发表第一、通讯作者SCI论文100多篇，论文他引3000多次。主编英文著作2部, 被Chem. Rev.和Chem. Soc. Rev.邀请撰写综述3篇。主持国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金优秀青年基金、霍英东教育基金、新世纪优秀人才支持计划等项目10余项。获中国化学会青年化学奖、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市启明星等。

参考文献：

1、Chang, H., Lv, J., Gao, X., Wang, X., Wang, H., Chen, H., ... & Cheng, Y. (2017). Rational Design of a Polymer with Robust Efficacy for Intracellular Protein and Peptide Delivery. Nano letters, 17(3), 1678-1684.

2、Wang, M., Liu, H., Li, L., & Cheng, Y. (2014). A fluorinated dendrimer achieves excellent gene transfection efficacy at extremely low nitrogen to phosphorus ratios. Nature communications, 5, 3053.

3、Wang, H., Wang, Y., Wang, Y., Hu, J., Li, T., Liu, H., ... & Cheng, Y. (2015). Self‐Assembled Fluorodendrimers Combine the Features of Lipid and Polymeric Vectors in Gene Delivery. Angewandte Chemie International Edition, 54(40), 11647-11651.

说明：本文内容主要综合自华东师范大学官方报道。

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