南京工業大學&新加坡國立大學Angew. Chem. Int. Ed.:通過生物可降解二氧化硅納米體系實現天然蛋白質的細胞內線粒體靶向遞送

【引言】

線粒體是細胞內重要的細胞器，存在于大多數的真核生物，有自身的遺傳物質線粒體NDA（mtDNA）和蛋白質合成系統。線粒體在細胞生長和存活中發揮重要作用，能夠為哺乳動物細胞提供動力和能量，并參與許多信號傳導過程。另一方面，線粒體功能障礙與疾病密切相關，諸如癌癥、心血管疾病和神經退行性疾病等。靶向線粒體的蛋白質遞送被認為是有前景的潛在治療策略，但是向雙膜細胞器遞送藥劑是極具挑戰性的。多年來，已經發展了將小分子和納米材料遞送到哺乳動物細胞線粒體中的諸多方法，然而這些方法都不適合于遞送治療性蛋白質和抗體分子。目前大多數基于抗體的藥物都靶向細胞表面或分泌的蛋白質，顯著限制了它們的潛在應用。因此，基于蛋白質/抗體的療法主要挑戰在于發展高效的細胞內蛋白質/抗體遞送策略，實現細胞快速、高效攝取和避免內體逃逸，以及亞細胞靶向具有重要的研究意義。截止目前，將天然外源蛋白質或抗體遞送到哺乳動物活細胞線粒體中的研究還未見報道。

【成果簡介】

近日，南京工業大學李林教授與新加坡國立大學姚少欽教授合作報道了利用可生物降解的二氧化硅納米體系向線粒體遞送天然蛋白質和抗體。研究發現，用能夠穿透細胞膜的聚二硫（CPD）和三苯基磷（TPP）修飾納米顆粒表面能夠避免溶酶體的胞吞，大大促進細胞的攝取和線粒體靶向能力，從而為有效的線粒體定位、谷胱甘肽（GSH）誘發的生物降解和天然功能蛋白進入線粒體提供了足夠的時間，為靶向遞送生物大分子（蛋白質/抗體藥物）到線粒體提供了新策略。該成果以題為" Mitochondria-Targeting, Intracellular Delivery of Native Proteins Using Biodegradable Silica Nanoparticles"發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1 CPD-TPP-protein@BS-NPs的制備及其在細胞線粒體靶向遞送和GSH刺激藥物釋放的示意圖

圖2 CPD-TPP-protein@BS-NPs生物降解前在細胞線粒體中的分布及其體外刺激釋放

(A) 利用MitoTracker預處理然后用不同的^RBBSA@BS-NPs孵化24小時的HeLa細胞的CLSM圖像；

(B) 利用CPD-TPP-^RBBSA@BS-NP處理的HeLa細胞的生物TEM圖像（10 mg/mL；孵化24或72 h）；

(C) 利用MitoTracker預處理然后與CPD-TPP-^FLIgG@BS-NP（10 mg/mL）孵化24小時的HeLa細胞的CLSM圖像；

(D) 在PBS中利用5 mM GSH孵化不同時間（0至72 h）后^FLBSA@BS-NP上清液的熒光光譜；

(E) 從不同^FLBSA@BS-NPs（50 mg/mL, 72 h）處理的HeLa細胞中分離的線粒體級分的熒光光譜。

圖3 納米體系成功靶向到線粒體后釋放蛋白質/抗體的功能研究

(A) MAOA@BS-NP的TEM圖像；

(B) 用不同MAOA@BS-NPs（50 mg/mL, 72 h）處理的HepG2細胞的線粒體組分的WB分析；

(C) CLSM圖像顯示通過已知小分子探針檢測到的HepG2或SH-SY5Y細胞中的內源MAO-A；

(D) CLSM圖像顯示通過CPD-TPP-MAOA@BS-NP（10 mg/mL; 72 h）處理細胞然后與MAO-A探針一起孵化3小時實現MAO-A的成功遞送后HepG2細胞中的線粒體MAO-A活性；

(E) CLSM圖像顯示用抗MTCO2抗體（上圖）或陰性對照（下圖；無抗MTCO2）對HeLa細胞進行免疫熒光染色；

(F) 在用FITC標記的山羊抗兔IgG（H + L）二抗固定和孵化前，用CPD-TPP-anti-MTCO@BS-NPs（10 mg/mL，72 h）處理的活HeLa細胞的CLSM圖像。

【小結】

本文中，作者使用可生物降解的二氧化硅納米體系實現了天然蛋白質/抗體的細胞內線粒體靶向遞送。這些負載蛋白質的納米粒子能夠被細胞快速、高效地攝取，在靶向富集到線粒體后，這些二氧化硅納米粒子能夠在GSH存在時被降解，從而實現天然功能性生物大分子的釋放。利用這些細胞內釋放的大分子可以進行更加深入的功能研究，使得該策略有望用于針對亞細胞靶標的蛋白質或抗體藥物療法。

文獻鏈接：Mitochondria-Targeting, Intracellular Delivery of Native Proteins Using Biodegradable Silica Nanoparticles?(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201901699)

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