大推力、高載荷、會隱身
納米“火箭”護送基因藥物直抵病灶
我們構建的高分子載體體系，具備基因和光聲雙模成像能力、基因和光熱聯合治療功能。上述特性使高分子載體由單一功能升級為多功能，具備了對腫瘤組織診療一體和雙重殺傷的能力。
——田華雨 中國科學院長春應用化學研究所研究員
◎本報記者 楊 侖
“運載火箭”整裝待發，它將穿越重重阻力，精準地助力“導彈”命中“靶心”……這是發射場內的場景嗎？不，這一切都發生在微觀層面。這枚僅有100納米左右的“火箭”就是由中國科學院長春應用化學研究所研究員田華雨等人構建的“高分子基因/藥物載體”。近日，這一研究成果榮獲2021年度吉林省自然科學獎一等獎。
近年來，科研人員一直試圖構建高效、安全、低成本的高分子載體，為基因治療這一備受矚目的醫學技術插上騰飛的雙翼。
中國科學院長春應用化學研究所的陳學思院士早在20年前就認識到開發高性能高分子基因載體的重要性和緊迫性。他曾說：“一方面我們要做深刻的基礎研究，要剖析基本科學問題，要知其然更要知其所以然，這是確保我們的研究能處于國際領先水平的前提。另一方面，我們要在實際需求中發掘問題，并且要努力推動高分子基因載體的產業化和商品化。”
此次獲獎的成果，正是該所科研人員為此奮斗20年的回報。
基因治療面臨“彈藥”運輸難題
基因治療的本質是通過調控基因實現治病目的。基因治療通常需要構建有治療作用的基因，再把這些基因物質送進基因異常的細胞里，以修復異常基因并制造有益蛋白。
自20世紀70年代基因治療技術誕生以來，它就被認為是醫學和藥學領域的一次革命，有望通過它治愈由基因缺陷或異常而引起的各類疾病。經過多年的技術迭代、更新、積累，基因治療取得了快速的進步，一批突破性治療方法和基因治療藥物相繼問世，取得了一系列臨床成果。
由于其出色的表現，基因治療吸引了全球科學家的目光。20世紀90年代，各國科學家陸續開展了相關研究：1992年，意大利科學家首次成功地使用逆轉錄病毒修飾造血干細胞，此后的20余年里，利用基因治療血友病、實體瘤和白血病等也陸續取得了積極的成果，到了2017年，美國批準了第二種基于改造患者自身免疫細胞的療法，用來治療特定淋巴癌患者，基因治療再次掀起了研究熱潮。近年來，我國多地政府在科技發展規劃中，也都把基因治療作為未來科技創新發展的關鍵核心技術。
但如此神奇的基因療法，卻面臨著一個關鍵問題：如何把基因或藥物運送到目標靶點。舉例來說，威力巨大的武器躺在發射架上，是談不上殺傷力的。以基因治療腫瘤為例，想要讓“彈藥”發揮作用，必須要有一款“運載火箭”將其送到目的地。
“人體的環境比大氣層還要復雜，將經過改造的基因運送到需要治療的細胞中，同時還要避開正常的細胞，難度是很大的。”田華雨告訴科技日報記者。
高分子載體保證運送效率和安全
對基因治療而言，理想的載體既要能攜帶足夠數量的基因或藥物“彈藥”，又要對人體沒有毒性和致病性，能確保安全；既要夠堅固，能夠保護“彈藥”免遭核酸酶等的破壞，又要能精準地找到腫瘤細胞并進入細胞核中。
高分子載體一般是陽離子聚合物，具有安全、毒性小、易于功能化、可批量生產等優勢，但其轉染效率低且缺乏智能響應性是困擾全球科研人員的一道難題。
田華雨帶領科研人員采用“引入多重相互作用、協同增效”策略，在聚賴氨酸上接枝對甲苯磺酰基保護的精氨酸以獲得高性能的高分子載體，讓靜電相互作用、氫鍵相互作用、疏水相互作用協同合作，使得載體進入細胞的驅動力由單一變為多重，大大增加了載體進入細胞的效率。
“這就好比火箭的升級換代，以前只是單級火箭，現在我們將多個火箭發動機串聯或者捆綁起來，就大大增加了火箭的動力。”田華雨說，高分子載體能夠自組裝成納米顆粒，透射電鏡結果顯示，納米顆粒的組裝體為球形，其平均大小約為75納米。
更有趣的是，科研人員還為這種納米“火箭”設計了一件“隱身衣”。田華雨解釋說，這樣做是因為高分子載體在體內向腫瘤組織傳輸基因物質的時候，循環系統和腫瘤部位對基因載體的理化性能要求是相互矛盾的。
“陽離子聚合物本身帶有正電荷，我們希望利用多余的正電荷幫助它進入到腫瘤細胞內，但在運輸途中，它很容易和體液中的負電性蛋白相互作用，或者與非目標組織細胞作用造成非特異性吞噬，嚴重影響復合物納米顆粒向目標組織的傳輸效率。”田華雨說。
于是，科研人員巧妙地用雙醛基聚乙二醇緊緊地包裹住“火箭”，并壓縮其體積，使其能夠騙過體內的負電性蛋白，從而高效地進入腫瘤細胞。到達目的地后，這件“隱身衣”又將在腫瘤細胞特殊的酸性環境中“脫去”。
載體由單一功能升級為多功能
從實踐效果來看，這種新型的高分子載體實現了基因物質在體內的高效傳輸，并在抗腫瘤治療方面取得了令人振奮的效果。實驗結果表明，利用這種辦法，腫瘤細胞內吞效率和腫瘤生長抑制率都顯著提高。
不僅如此，科研人員還在載體中引入檢測和聯合治療單元，構建多功能載體，提升了對疾病的實時監測和治療能力。“我們構建的高分子載體體系，具備基因和光聲雙模成像能力、基因和光熱聯合治療功能。上述特性使高分子載體由單一功能升級為多功能，具備了對腫瘤組織診療一體和雙重殺傷的能力。”田華雨說。
高分子載體聯合遮蔽體系，擔載著基因物質、蛋白、化療藥物后，就成了一個通用型的載體平臺。利用這一平臺，田華雨等人又進一步構建出基于兩種腫瘤酸性微環境響應的納米遞藥體系——化療藥物裝載體系和基因裝載體系，進而開發了一種新型的免疫雞尾酒療法。該療法在數種腫瘤模型中都展現出了優異的治療效力。
基因轉染試劑國產化打破國外壟斷
相關鏈接
從陳學思20年前布局高效的基因治療載體伊始，產業化、商業化就是這項技術的主要目標之一。雖然基因載體走向臨床治療仍需一段時日，但基因轉染試劑的產業化時機已經成熟。
作為基因治療的一個關鍵環節，基因轉染試劑的核心技術一直以來都被國外公司壟斷。
鑒于此，在陳學思的鼓勵和帶領下，在科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和吉林省科技廳的大力支持下，田華雨研究員20年如一日地投入到了基因轉染試劑的研發工作中，在前人研究的基礎上銳意創新、攻克難關，徹底擺脫了我國在該領域受制于人的艱難困境。
“國產基因轉染試劑取得突破，使得我國改變了基因轉染試劑依賴進口的現狀。”田華雨說。目前，該研究團隊已經成功開發出3個品種的基因轉染試劑，正在逐步拓展市場，目前已在50多家高校、醫院和科研機構使用。
