核酸递送新突破，阳离子脂质体系统显著提高核酸药物递送效率

近期，浙江大学药学院彭丽华团队在Journal of Controlled Release杂志发表了题为Mechanical stretching of cells and lipid nanoparticles for nucleic acid delivery的研究论文。

阳离子脂质体（CLs）是一种已被广泛研究的用于基因传递的非病毒纳米载体【1】，但其有限的递送效率及较大的细胞毒性仍使其难以在临床中应用。物理策略如显微注射【2】、基因枪、电致孔、光致孔【3】、声致孔和磁吸附【4】等近年来被尝试用于增强生物大分子的递送。然而，这些技术往往需要特殊的设备和复杂的加工步骤，并可能导致对细胞和组织的物理损伤。

模拟生理条件下的循环拉伸作为一种参与细胞生理活动的机械信号【5】，可诱导调控药物胞内递送的肌动蛋白和微管的快速重组，能够作为一种潜在的仿生物理手段对细胞吸收纳米颗粒等实施干预。因此，将循环拉伸与阳离子脂质体介导的核酸递送相结合有望提高核酸的递送效率。但截至目前，关于循环拉伸对于阳离子脂质体介导的核酸递送的影响与干预机制的研究尚鲜见报道。

在本研究中，作者首先制备了由天然产物，人参皂苷Rg5作为一种膜稳定剂的新型阳离子脂质体 (RCLs)，在此基础上，利用循环拉伸结合RCLs建立了一种新型的基因递送平台 (S-RCLs) 。根据细胞内运输过程和相关基因表达的变化，评估S-RCLs/基因复合物在细胞摄取的不同阶段的行为（图1）。

图1. RCLs的制备方案和S-RCLs在不同转染阶段的行为。

与市售阳离子脂质体Lipofectamine2000相比，RCLs具有更高效的递送效率与显著降低的细胞毒性。在此基础上，将循环拉伸与RCLs结合，建立了拉伸-阳离子脂质体联合递送系统 (S-RCLs) 。作者证明了采用相比于RCLs, S-RCLs对DNA和RNA药物的递送效率均能进一步显著提高。给予细胞 5% 的拉伸率，30 个循环/分钟 (0.5 Hz) 的拉伸周期，并持续6小时后，S-RCLs转染效率最佳（图2）。

图2. RCLs的表征和S-RCLs的转染效率

基于核酸递送过程中从胞外到胞内所遇到的一系列屏障【6-7】，对S-RCLs携载的核酸在转染过程中的行为进行了一系列研究。结果表明，在摄取阶段，S-RCLs能够显着增加 CD44 和 Map6d介导的核酸的跨膜转运。与静态作用下RCLs介导的递送过程相比，S-RCLs介导的核酸的细胞摄取从基于网格蛋白的内吞转变为基于小窝蛋白的胞吞作用。S-RCLs亦能够刺激EHD2从细胞膜转移到细胞核中，降低EHD2对于小窝蛋白的锚定效应，从而促进小窝蛋白介导的外源性核酸的内吞；此外，通过激活 Src 蛋白激酶并抑制 Egr 1的作用，S-RCL还能够显著增强CAV-1蛋白的表达，从而进一步增强小窝蛋白介导的内吞作用。在细胞内转运阶段，S-RCLs 通过激活 RhoA 蛋白激酶和诱导 F-肌动蛋白解聚和重排，加速了核酸在细胞浆内的转运。S-RCL 还增强了细胞核中由 LSM3 和 Hist1h3e 介导的 DNA 转录，从而刺激了基因转录和蛋白质表达（图3）。

图3. S-RCLs/pDNAs 的细胞摄取和胞内转运的机制

核酸体内递送的结果进一步证明，与静态相比，循环拉伸下的阳离子脂质体对核酸的递送效率能够显著提升。且体内机制研究结果与体外均一致。安全性评价结果显示，生理强度下的循环拉伸联合脂质体对体内外的细胞与生物组织均无毒性或副作用。循环拉伸-阳离子脂质体是一种安全高效的核酸递送体系（图4）。

图4. S-RCLs/核酸的体内转染效率和生物安全性

基因疗法目前已广泛用于治疗癌症和遗传性疾病等不治之症【8】。该研究首次证明循环拉伸-阳离子脂质体是一种安全高效的核酸递送系统。该联合递送系统通过调控 CD44、EHD2、CAV-1 介导的细胞摄取，Map6d1 和 F-肌动蛋白介导的胞内转运，细胞核中的 LSM3 和 Hist1h3e 调节的 DNA 转录，能够显著促进核酸药物的递送效率。S-RCLs为核酸药物递送系统的设计与构建提供了新思路。由于人体的生理活动，如血液流动、心脏拨动、跑步等均可产生循环拉伸与剪切应力，因此，未来有望在无需借助外部设备的情况下，基于对人体自身拉伸与剪切的调控，开发出自体运动联合纳米载体的智能仿生核酸递送系统。