类蠕虫纳米结构与突起来源细胞外囊泡推动基因和蛋白质递送新进展

研究人员开发出一种用于高效基因递送和内涵体逃逸的类蠕虫核酸纳米结构，并另外发现，由细胞表面突起产生的细胞外囊泡递送活性蛋白和基因组编辑酶的效率远高于传统内涵体来源的囊泡。这两种方法都旨在解决内涵体逃逸这一非病毒基因和蛋白质递送中的关键瓶颈。

纳米颗粒是公认的基因载体，与病毒载体相比免疫原性较低，但其内涵体逃逸效率仍不理想。自2019年以来，在超过38,000篇研究文章中，只有14篇报道了NP-基因复合物与内溶酶体之间的相关系数低于0.2。用于内涵体逃逸的两种主流基因载体是阳离子纳米颗粒和脂质纳米颗粒。阳离子纳米颗粒通过“质子海绵效应”逃离内涵体，但正电荷常常引起细胞毒性。脂质纳米颗粒通过“膜失稳”机制逃逸，但脂质筛选可能具有挑战性，且脂质可诱导膜损伤和炎症。

核酸纳米结构，包括球形核酸、折纸结构、基于瓦片的纳米结构和核酸纳米凝胶，提供了一种有前景的替代方案，具有生物相容性、无需转染即可摄取、细胞毒性和免疫原性降低等优点，但其内涵体逃逸效率低下，且通常需要阳离子基团、细胞穿透肽或机械刺激。这种新型纳米结构将治疗性核酸吸附在由金-聚多巴胺核壳类蠕虫纳米结构（Au@PDA NW）构成的结构模板表面。整体纳米结构呈阴离子性，无需转染试剂即可进入细胞，并在四种细胞类型中以Pearson相关系数<0.2实现内涵体逃逸，且无需阳离子/脂质官能团或机械刺激。它自然激活氯电压门控通道3（ClC3）离子交换器，该交换器介导囊泡中H+和Cl-的积聚以及内涵体逃逸。

该纳米结构实现了体外miRNA介导的巨噬细胞极化和siRNA介导的基质细胞分化，离体mRNA介导的细胞疗法用于减轻肾纤维化，以及体内mRNA递送至肝细胞以治疗肝损伤，在内涵体逃逸和效率方面均优于Lipofectamine。

在一项于2025年12月8日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的研究中，日本的研究人员比较了两种主要的细胞外囊泡生物发生途径。细胞外囊泡是细胞释放的微小膜结合颗粒，用于将蛋白质和其他分子运输到邻近细胞。它们既可以来源于细胞内的内涵体区室，也可以直接来源于细胞表面的特化突起。研究团队发现，以I-BAR蛋白（MIM）依赖性方式从细胞表面突起产生的囊泡，其递送活性蛋白和基因组编辑酶的效率远高于传统内涵体来源的CD63相关囊泡。

研究人员培养了人类细胞，分离出突起来源的囊泡和内涵体来源的囊泡，将特定蛋白货物装载到其中，并将其添加到受体细胞中。利用活细胞和超分辨率成像，他们追踪了囊泡的摄取、通过内涵体区室的运输以及货物释放到细胞质中的过程。他们发现，由突起来源的囊泡递送的Rac1蛋白（一种调节细胞迁移的蛋白质）能够高效地从晚期内涵体逃逸到细胞质中，保持活性，并刺激细胞运动。研究团队还表明，突起来源的囊泡运输Cas12f（一种紧凑型基因组编辑酶）时，每个蛋白质的功能效率显著高于传统内涵体来源的囊泡，且无需使用病毒载体或病毒融合蛋白。

“我们的研究结果表明，细胞可能已经拥有一种非常有效的、无病毒的递送机制，”首席研究员表示，并补充说，利用这种天然系统可能为基因组编辑、再生医学和蛋白质疗法带来更安全、更精准的策略。这项研究为下一代递送技术奠定了基础，这些技术利用细胞自身的分子机制，而不是工程化的病毒组件。