蛋白質藥物遞送及神經化學生物學應用

　　蛋白質是生命活動的主要執行者。人類疾病的發生、發展與細胞內蛋白質的表達異常或功能缺失密切相關。因此，活細胞層次遞送蛋白質藥物對于生命過程的化學干預、疾病診斷和治療研究具有重要意義。

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學所活體分析化學實驗室汪銘課題組近來圍繞蛋白質藥物智能遞送開展了系統研究，先后發展了陽離子脂質體以及金屬有機框架等載體，探索了載體對細胞微環境的響應性及胞內降解過程，實現了細胞及活體層次蛋白質藥物的智能遞送及功能調控（Acc. Chem. Res. 2019, 52, 665-675； Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8596-8606）。

　　近期，該課題組通過設計配位超分子自組裝體及其在主-客體化學作用下與蛋白質的層級組裝，構建了新型超分子納米顆粒（Supramolecular Nanoparticles, SNPs）。研究發現SNPs可被細胞攝取，并遞送蛋白質進入細胞。基于這一策略，他們實現了多種蛋白質藥物的細胞遞送，并進一步通過遞送CRISPR/Cas9基因編輯核酸酶實現細胞基因表達調控（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5429-5435）。最近，他們設計了四苯乙烯（TPE）衍生物的配位自組裝體系，利用TPE的聚集誘導熒光性質（AIE），構建了M2L4型熒光金屬-有機籠TPE-MOC。通過調控TPE-MOC和聚乙烯亞胺（PEI）衍生物的層級組裝，制備了熒光超分子納米顆粒（FSNPs）。研究發現上述組裝過程可高效包封、遞送蛋白進入細胞，并利用FSNPs的光學性質實現了蛋白質遞送后在細胞內轉運過程示蹤。更為重要的是，FSNPs可高效遞送蛋白質進入神經細胞，為神經生理病理研究及神經退行性疾病的生物治療提供了新策略。DJ-1是對細胞氧化還原環境敏感的分子伴侶，其基因突變或功能缺失與帕金森綜合癥等神經退行性疾病密切相關。研究發現FSNPs遞送DJ-1蛋白到神經細胞后可激活MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）信號通路終端激酶ERK（細胞內調節激酶）的磷酸化修飾，進而上調超氧化物歧化酶（SOD）表達，實現神經細胞氧化應激水平的調控（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202111213），上述論文通訊作者為汪銘研究員，第一作者為課題組博士后劉計。

　　在分子層次調控蛋白質與遞送載體之間的相互作用對于蛋白質遞送至關重要。然而，蛋白質分子結構復雜，與載體之間的組裝多通過靜電作用實現，極大限制了組裝體的穩定性及適用的蛋白質范圍。鑒于此，他們設計四（4-脒苯基）甲烷（TAM）與4，4’-偶氮苯二羧酸（AZB）的氫鍵組裝體系，構建了氫鍵-有機框架結構（TA-HOFs）。利用HOFs前體與蛋白質殘基（谷氨酸、天冬氨酸、賴氨酸、精氨酸等）之間的氫鍵作用，實現了蛋白質在HOFs中的包封。這一組裝過程受蛋白質的物理化學性質影響較小，對具有不同電荷、尺寸的蛋白質均表現高效包封效果。研究發現，HOFs包封過程對蛋白質的活性影響小，可遞送蛋白質進入細胞，并用于胞內酶催化反應，且包封過氧化氫酶（catalase）的CAT@TA-HOFs可以催化神經細胞中活性氧物質降解，調控細胞在神經毒素刺激時的氧化應激水平，為基于細胞內酶催化反應的神經退行性疾病治療提供了新方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22315-22321）。這一研究成果發表后，被Nature Reviews Chemistry作為研究亮點進行了報道（Nat. Rev. Chem. 2021, 5, 670），論文通訊作者為汪銘研究員，第一作者為課題組博士研究生唐佳抗。