ACS Nano：生物工程化穹隆体纳米颗粒揭开药物递送新篇章

想象一下，在不久的将来，我们只需注射一种特别设计的微小颗粒，它们便会在体内自动找到目标，精准地释放药物。这听起来像科幻电影中的情节，但实际上，这一前景已经越来越接近现实。一种叫做“生物工程化穹隆体”（bioengineered vaults）的纳米颗粒正在进一步推动这一技术。这些颗粒不仅拥有自然界中最复杂的结构之一，而且它们的用途正在革命性地改变我们对药物递送的理解。

穹隆体（vaults）是自然界中发现的最大的核糖核蛋白复合物之一，其形态宛如哥特式大教堂的拱顶，因此得名。它们在真核生物细胞中普遍存在，具有独特的双拱形结构，尺寸约为67纳米×40纳米×40纳米，质量约为1300万道尔顿。这种结构的独特性使得穹隆体在稳定性和均一性方面具有显著优势。穹隆体由三种主要蛋白质组成：主要穹隆体蛋白（MVP）、穹隆体（聚ADP-核糖）聚合酶（VPARP）和端粒酶相关蛋白1（TEP1），再加上若干小的非编码RNA（vRNA）。

图1：真核生物的一种核糖核蛋白“细胞器”：穹隆体（Pfam：PF0505）

通过生物工程技术，研究人员可以在实验室中重组这些大型蛋白复合体颗粒，使它们不仅保留原始的结构，还可以进行功能化处理。2014年8月，来自加利福尼亚大学洛杉矶分校大卫-格芬医学院生物化学系的Leonard H. Rome教授团队与加州大学洛杉矶分校分子、免疫与遗传学系周正洪教授团队及其他合作者在ACS Nano上发表了August 26, 2014 Volume 8, Issue 8刊物的封面文章Bioengineered Vaults: Self-Assembling Protein Shell Lipophilic Core Nanoparticles for Drug Delivery（图2）。

图2：文章报告了一种新型的生物工程、单分散、自组装的穹隆体纳米粒子，由外部的蛋白质外壳和内部的亲脂核心组成

在这篇文章中，研究团队描述了如何通过将来自丙型肝炎病毒（HCV）的非结构蛋白5A（NS5A）的一个小的两亲性（亲脂、亲水）α螺旋段（NS5A1-31）连接到MVP上，形成一种新的自组装蛋白壳-脂溶性核心纳米颗粒。这种创新设计使得穹隆体内部具有脂溶性微环境，可以可逆地包裹多种脂溶性药物（图3）。

图3：生物工程化穹隆体的制造设计图（A为两亲螺旋）和参与测试的三种脂溶性药物。灰色部分表示疏水氨基酸，彩色部分表示亲水

研究团队通过多种电子显微镜技术（透射电镜负染色技术Negative stain TEM，和冷冻电镜断层扫描技术Cryo-ET），证实了这一创新设计的成功。他们通过生物工程手段附加的这段NS5A1-31肽使得复合体腔内出现了意外的大量质量增加（图4），这主要是由于宿主脂质膜成分的结合。这些生物工程化的脂溶性金库能够可逆地封装包括全反式维甲酸（ATRA）、两性霉素B（AMB）和布雷霉素1（bryostatin 1）在内的多种治疗化合物。具体来说，每个金库纳米颗粒可以封装数百到数千个药物分子，这在药物递送系统中具有重要意义。

图4：研究人员利用冷冻电镜断层扫描（Cryo-ET）方法确定颗粒组装的实际三维结构。这一技术广泛应用于药物递送载体的完整性检查中

其中，全反式维甲酸（ATRA）是一种用于对抗癌症的化合物，研究显示，每个穹隆体颗粒可以封装182个ATRA分子。两性霉素B（AMB）作为一种抗真菌药物，每个穹隆体颗粒可以封装45个AMB分子。而布雷霉素1（bryostatin 1）则具有诱导HIV潜伏病毒表达的潜力，是消除HIV/AIDS的重要研究对象。研究显示，每个穹隆体颗粒可以封装83个布雷霉素1分子，并且在体内能够有效激活HIV潜伏病毒，从而使感染细胞暴露于免疫系统的攻击。

为了进一步验证这些穹隆体纳米颗粒的功能，研究团队进行了多项实验。他们发现，装载布雷霉素1的工程化穹隆体能够释放自由药物，在体外实验中成功激活潜伏的HIV病毒，并在小鼠体内实验中诱导CD69生物标志物的表达。这表明，布雷霉素1不仅能够被穹隆体有效封装，还能在体内释放并保持其生物活性。

研究结果表明，这些生物工程化穹隆体不仅展示了卓越的药物封装和释放能力，还在实验室和动物模型中表现出良好的治疗效果。通过这些微小的“药物金库”，我们可以实现更精准、更高效、更安全的药物递送，减少药物的副作用，并提高治疗效果。在这个快节奏的科学时代，生物工程化穹隆体的出现为药物传递系统带来了革命性的变化。随着研究的不断深入，这些神奇的纳米颗粒有望在未来成为药物传递领域的中坚力量，彻底改变我们对疾病治疗的认知。

在药物递送系统的有效性评估中，能“眼见为实”地确定递送载体的完整性，无疑会带来效率上的大幅提高。负染色透射电镜、冷冻电镜单颗粒三维重构技术Cryo-EM、冷冻电镜断层扫描技术Cryo-ET等结构生物学电子显微技术在这一领域有着极高的应用亲历。中科微末团队在生物大分子及其复合体的三维结构解析方面技术成熟、经验丰富，能够在原子级分辨率解析多种生物大分子材料的三维结构。我们致力于为药企和高校医院科研工作者提供一站式、自动化、原子级分辨率的结构解析服务，助力创新药物研发和科研成果转化，帮助科研人员实现“原子结构自由”。