2024年9月19日，中國科學院上海藥物研究所甘勇研究員、俞淼榮副研究員與浙江大學胡國慶教授團隊合作在Nature Nanotechnology上在線發(fā)表了題為“Direct Cytosolic Delivery of siRNA via Cell Membrane Fusion Using Cholesterol-Enriched Exosomes“的研究論文。該研究結(jié)合理論建模和實驗研究深入揭示了膽固醇在調(diào)控外泌體遞釋RNA藥物中的關(guān)鍵作用及其背后的機制，并開發(fā)出高效的工程化外泌體RNA遞釋系統(tǒng)，為基因治療提供了一種安全高效的創(chuàng)新遞釋策略。

圖1. 富含膽固醇的外泌體遞釋RNA藥物示意圖

近年來，RNA干擾（RNAi）技術(shù)在基因表達調(diào)控領域潛力巨大，逐漸成為治療遺傳性疾病和癌癥等重大疾病的前沿技術(shù)。然而，RNA的遞釋效率及其安全性一直是其臨床應用中的關(guān)鍵難題。雖然已有如N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）和脂質(zhì)納米顆粒（LNP）等RNA遞釋系統(tǒng)在臨床使用，但它們在細胞內(nèi)溶酶體的逃逸效率仍然較低（僅為1-4%），限制了其療效。

外泌體作為天然的納米級細胞外囊泡，因其出色的生物相容性、穩(wěn)定性、長效的體內(nèi)循環(huán)時間以及精準的組織靶向能力，逐漸成為優(yōu)化RNA遞釋的研究熱點。然而，天然外泌體進入細胞主要依賴內(nèi)吞作用，導致RNA分子易在溶酶體中被迅速降解，從而限制了其遞釋效率。

為克服這一難題，研究團隊創(chuàng)新性地采用外泌體工程化可控修飾策略，定量化調(diào)控了不同種類外泌體中膽固醇的含量（如牛奶外泌體、生姜外泌體、腫瘤細胞來源的外泌體等），并利用透射電子顯微鏡等技術(shù)對其進行了全面表征。研究結(jié)果表明，外泌體膜中膽固醇含量的增加顯著增強了其與靶細胞膜的相互作用，促使外泌體通過膜融合而非內(nèi)吞途徑進入細胞，大幅降低了溶酶體降解的限制。分子模擬研究同時揭示，富含膽固醇的外泌體具有更強的膜變形能力，能擴大其與細胞膜的接觸面積，從而通過膜融合機制將小干擾RNA（siRNA）直接高效遞送至細胞質(zhì)內(nèi)。

在體外實驗中，富含30%膽固醇的牛奶外泌體（30% Chol/MEs）成功遞送了PLK1 siRNA，顯著下調(diào)了PLK1 mRNA和蛋白表達水平，誘導了腫瘤細胞凋亡，其效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)染試劑Lipo 2000和RNAiMAX。體內(nèi)實驗進一步證實，30% Chol/MEs/siPLK1通過口服或靜脈注射方式，在小鼠結(jié)直腸腫瘤模型中均能有效抑制腫瘤生長，展示了其作為基因治療載體的良好潛力。

圖2. 富含膽固醇的外泌體通過膜融合高效遞釋RNA及微觀機制

甘勇研究團隊近年來在藥物載體高效遞釋的物理藥劑學研究領域取得了顯著進展，相關(guān)論文已發(fā)表在Nature Communications(2018,2022,2024),PNAS (2019,2024),?Science Advances (2020)等國際主流期刊，揭示了形狀、剛度和表面性質(zhì)等物理屬性影響載體輸運效率和靶位釋放的規(guī)律及微觀機制，為理性化設計高效遞釋的藥物載體提供了新思路。

上海藥物所-南昌大學聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生卓巖和浙江大學博士研究生駱珍為本文共同第一作者，上海藥物所甘勇研究員、俞淼榮副研究員和浙江大學胡國慶教授為本文共同通訊作者。該研究獲得了中國科學院上海高等研究院國家蛋白質(zhì)科學研究(上海)設施的技術(shù)支持，以及國家杰出青年科學基金、國家重點研發(fā)計劃項目、上海市重點項目、國家生物藥技術(shù)創(chuàng)新中心“揭榜掛帥”技術(shù)攻關(guān)項目等資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01785-0