大连理工/NTU/清华/中国农科院Nat. Nanotechnol.：肽基纳米胶囊——药物输送的新革命

昆虫表皮作为自然界中最复杂的自组装系统之一，含有数以百计的表皮蛋白，这为筛选具有自组装潜能的昆虫表皮蛋白肽 (ICP) 提供了无限可能。近日，来自大连理工大学的刘田教授、中国农业科学院杨青教授、清华大学高华健教授以及南洋理工大学（NTU）俞璟副教授为共同通讯作者，李昦鹏博士和钱栩良博士为共同第一作者，在Nature Nanotechnology 上发表题为“Self-assembly of peptide nanocapsules by a solvent concentration gradient”的论文。

玉米螟是我国一类农作物病虫害，其钻蛀特性是导致其防治困难的主要原因之一，而坚硬的头壳正是发挥其钻蛀功能的主要器官。作者从亚洲玉米螟头壳表皮转录组中发现了233种表皮蛋白，并从中筛选了9种具有重复序列的ICP。非常罕见的是，其中三种ICP（WA30、VV30和NS36）能够在水和丙酮的混合溶剂中的自发组装成纳米胶囊，而不需要添加任何的模版（图1）。研究表明，上述肽基纳米胶囊的形成得益于溶剂浓度梯度自组装技术。当ICP水溶液与丙酮混合时，会发生液液相分离。而由于丙酮和水的互溶特性，在ICP浓相的表面产生了丙酮和水的浓度梯度。作者通过全原子模拟计算发现，形成纳米胶囊的ICP更倾向于根据其自身的特性定位到特定的浓度区域，这也就导致了ICP更倾向于向富水液滴的表面移动从而造成不可逆的浓度改变。当ICP在液滴表面富集到一定浓度时，肽分子间会通过形成β-折叠并固化从而自组装产生纳米胶囊（图1）。该理论能够在一定程度上解释昆虫新表皮脱水过程中的表皮蛋白组装机理，进而为阐明昆虫表皮形成机制提供新的思路。

图1. 昆虫表皮蛋白肽（ICP）的挖掘以及纳米胶囊的组装机制。 a，亚洲玉米螟幼虫的头壳； b，从表皮蛋白中筛选昆虫ICP序列； c，NS36 液滴和胶囊的代表性共聚焦显微镜图像和FRAP曲线；d，时变共焦显微图像，显示 NS36从微滴状态转变为胶囊的过程；e，不同水/丙酮体积比下，NS36的ATR-FTIR谱（酰胺I带）；f-g, NS36 在水（f）和混合溶剂（g）中的NMR 和模拟结构；h，肽和溶剂分子（水和丙酮）之间的氢键数量与丙酮浓度的关系； i，肽从纯水转移到目标化学环境（丙酮）的自由能曲线；j,  纳米胶囊形成肽的溶剂梯度介导自组装的动态过程和驱动力的示意图。

得益于溶剂浓度梯度自组装机制，ICP纳米胶囊可以通过简单的溶剂置换工艺制备，并在药物递送方面具有一些独特的优势（图2）。首先，ICP纳米胶囊的内部空间可以容纳多种生物亲水大分子以及疏水药物，能够提高药物的载量。另外，在ICP纳米胶囊表面还可以修饰肿瘤靶向配体，从而特异性地将药物输送到目标组织。此外，ICP纳米胶囊在人体内降解缓慢，可以提高药物的释放并且副作用较低。因此，本研究制备的ICP纳米胶囊在肿瘤治疗、基因治疗和疫苗递送等方面均具有较大的应用前景。

图2. 通过 ICP 胶囊封装并递送蛋白质、疏水药物和mRNA。a，将阿霉素 (DoX) 和增强型绿色荧光蛋白 (EGFP) 同时封装到 ICP 纳米胶囊中的示意图；b-c、ICP 胶囊封装EGFP (b) 和 DoX (c)的效率；d，FITC 标记的 ICP 纳米胶囊成功递送至 Hela 细胞中的代表性荧光图像； e，用负载 DoX 的 NS36 纳米胶囊处理 12 小时的 Hela 细胞的 3D 共聚焦显微镜图像； f， NS36 纳米胶囊同时递送FITC 标记的 BSA 和DoX进入 Hela 细胞的共聚焦显微镜图像； g-h，用 CC-NK3S-CC-RGD 纳米胶囊负载 EGFP mRNA 转染 MCF7 细胞的共聚焦显微镜图像 (g) 和流式细胞分析 (h)。

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Self-assembly of peptide nanocapsules by a solvent concentration gradient

Haopeng Li, Xuliang Qian, Harini Mohanram, Xiao Han, Huitang Qi, Guijin Zou, Fenghou Yuan, Ali Miserez, Tian Liu, Qing Yang, Huajian Gao & Jing Yu 

Nat. Nanotechnol., 2024, DOI: 10.1038/s41565-024-01654-w

通讯作者简介

刘田，教授，博士生导师，入选国家级青年人才计划。主要研究方向是从昆虫表皮形成的关键蛋白入手，发现有害生物控制新靶标、研发绿色植保产品、寻找生物材料设计新思路及开发生物资源利用新酶。曾在Nat. Nanotech.、Matter、ACS Nano、Biotechnol. Adv.、Cell Rep. Phys. Sci.及J. Agric. Food Chem.等SCI期刊发表论文60余篇，近5年他引>1200次，h-index=28。担任Curr. Med. Chem.、Front. Mol. Biosci.及Heliyon等SCI期刊副主编或编委，《农药学学报》青年编委会副主任。在研国家自然科学基金(2项)、国家重点研发计划子课题(2项)及Bayer公司Grants4Ag 2023等项目。课题组常年招收博士后、博士生及硕士生，欢迎对科研工作有兴趣、对自己未来有规划的优秀青年加盟！

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