南京工业大学&新加坡国立大学Angew. Chem. Int. Ed.:通过生物可降解二氧化硅纳米体系实现天然蛋白质的细胞内线粒体靶向递送

【引言】

线粒体是细胞内重要的细胞器，存在于大多数的真核生物，有自身的遗传物质线粒体NDA（mtDNA）和蛋白质合成系统。线粒体在细胞生长和存活中发挥重要作用，能够为哺乳动物细胞提供动力和能量，并参与许多信号传导过程。另一方面，线粒体功能障碍与疾病密切相关，诸如癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。靶向线粒体的蛋白质递送被认为是有前景的潜在治疗策略，但是向双膜细胞器递送药剂是极具挑战性的。多年来，已经发展了将小分子和纳米材料递送到哺乳动物细胞线粒体中的诸多方法，然而这些方法都不适合于递送治疗性蛋白质和抗体分子。目前大多数基于抗体的药物都靶向细胞表面或分泌的蛋白质，显著限制了它们的潜在应用。因此，基于蛋白质/抗体的疗法主要挑战在于发展高效的细胞内蛋白质/抗体递送策略，实现细胞快速、高效摄取和避免内体逃逸，以及亚细胞靶向具有重要的研究意义。截止目前，将天然外源蛋白质或抗体递送到哺乳动物活细胞线粒体中的研究还未见报道。

【成果简介】

近日，南京工业大学李林教授与新加坡国立大学姚少钦教授合作报道了利用可生物降解的二氧化硅纳米体系向线粒体递送天然蛋白质和抗体。研究发现，用能够穿透细胞膜的聚二硫（CPD）和三苯基磷（TPP）修饰纳米颗粒表面能够避免溶酶体的胞吞，大大促进细胞的摄取和线粒体靶向能力，从而为有效的线粒体定位、谷胱甘肽（GSH）诱发的生物降解和天然功能蛋白进入线粒体提供了足够的时间，为靶向递送生物大分子（蛋白质/抗体药物）到线粒体提供了新策略。该成果以题为"Mitochondria-Targeting, Intracellular Delivery of Native Proteins Using Biodegradable Silica Nanoparticles"发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图1 CPD-TPP-protein@BS-NPs的制备及其在细胞线粒体靶向递送和GSH刺激药物释放的示意图

图2 CPD-TPP-protein@BS-NPs生物降解前在细胞线粒体中的分布及其体外刺激释放

(A) 利用MitoTracker预处理然后用不同的^RBBSA@BS-NPs孵化24小时的HeLa细胞的CLSM图像；

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

(C) 利用MitoTracker预处理然后与CPD-TPP-^FLIgG@BS-NP（10 mg/mL）孵化24小时的HeLa细胞的CLSM图像；

(D) 在PBS中利用5 mM GSH孵化不同时间（0至72 h）后^FLBSA@BS-NP上清液的荧光光谱；

(E) 从不同^FLBSA@BS-NPs（50 mg/mL, 72 h）处理的HeLa细胞中分离的线粒体级分的荧光光谱。

图3 纳米体系成功靶向到线粒体后释放蛋白质/抗体的功能研究

(A) MAOA@BS-NP的TEM图像；

(B) 用不同MAOA@BS-NPs（50 mg/mL, 72 h）处理的HepG2细胞的线粒体组分的WB分析；

(C) CLSM图像显示通过已知小分子探针检测到的HepG2或SH-SY5Y细胞中的内源MAO-A；

(D) CLSM图像显示通过CPD-TPP-MAOA@BS-NP（10 mg/mL; 72 h）处理细胞然后与MAO-A探针一起孵化3小时实现MAO-A的成功递送后HepG2细胞中的线粒体MAO-A活性；

(E) CLSM图像显示用抗MTCO2抗体（上图）或阴性对照（下图；无抗MTCO2）对HeLa细胞进行免疫荧光染色；

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

【小结】

本文中，作者使用可生物降解的二氧化硅纳米体系实现了天然蛋白质/抗体的细胞内线粒体靶向递送。这些负载蛋白质的纳米粒子能够被细胞快速、高效地摄取，在靶向富集到线粒体后，这些二氧化硅纳米粒子能够在GSH存在时被降解，从而实现天然功能性生物大分子的释放。利用这些细胞内释放的大分子可以进行更加深入的功能研究，使得该策略有望用于针对亚细胞靶标的蛋白质或抗体药物疗法。

文献链接：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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