從Science、Nature系列看納米生物材料的興起！

納米生物技術是指用于研究生命現象的納米技術，它是納米技術和生物學的結合，同時也是一門涉及物理學、化學、量子學、機械學、材料學、電子學、計算機學、生物學、醫學等眾多領域的綜合性交叉學科。是國際生物技術領域的前沿和熱點問題，在醫藥衛生領域有著廣泛的應用和明確的產業化前景，特別是納米藥物載體、納米生物傳感器和成像技術以及微型智能化醫療器械等，主要包含兩個方面利用新興的納米技術解決和生物學問題；利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機器。

今天我們從近期Nature系列、Science等頂刊看一看研究趨勢：

Science：肺泡活性物質仿生納米顆粒增強抵御異型流感病毒感染

目前的流感疫苗必須每年更新，以應對病毒血凝素(HA)和神經氨酸酶(NA)基因的不斷突變，因為疫苗主要誘導針對這些表面抗原的中和抗體。相比病毒的自然感染以及減毒活疫苗等復制性疫苗，非復制型疫苗引起的粘膜T細胞免疫反應較差，無法誘導較強的保護性免疫反應。因此迫切需要安全、高效的粘膜佐劑來促進機體產生保護性免疫，以應對不同的流感病毒感染帶來的威脅。在此，復旦大學陸路、姜世勃團隊聯合哈佛醫學院麻省總醫院Mei X. Wu副教授合成了基于cGAMP設計制備了一種肺部仿生納米顆粒（PS-GAMP），cGAMP是干擾素基因誘導劑STING(干擾素基因刺激劑)的激動劑。該佐劑(PS-GAMP)通過模擬病毒感染的早期階段，在不伴有過度炎癥的情況下，激活AMs和AECs，促進疫苗產生高效的體液和CD8+?T細胞保護性免疫反應，以抵抗多種異型流感病毒的攻擊。研究結果提示AECs在產生廣泛的交叉保護以抵御各種流感病毒方面具有十分重要的作用，表明PS-GAMP可能是一種“通用”流感疫苗的潛在粘膜佐劑。相關研究以“Pulmonary surfactant–biomimetic nanoparticles potentiate heterosubtypic influenza immunity”為題目，發表在Science上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1126/science.aau0810

圖1?PS-GAMP介導的佐劑作用

Nat. Chem.：可編程的聚合物庫，用于構建包含邏輯門的刺激響應納米載體

作為臨床治療的一部分，包含邏輯門的刺激響應生物材料在檢測和響應病理標記方面具有巨大的潛力。然而，一個主要的障礙是缺乏一個通用的系統，可以用來方便地組裝不同的配體響應單元，形成可編程的納米器件，用于先進的生物計算。在這里，南京大學朱俊杰教授、西安交通大學徐鋒教授、湖南大學譚蔚泓院士聯合開發了一個可編程的聚合物庫，通過在具有相似結構和反應活性的建筑模塊中包含響應單元。利用這些聚合物，開發了一系列智能納米載體，這些納米載體具有層次結構，其中包含與自我犧牲基序相連的邏輯門。以疾病生物標志物為輸入，邏輯裝置顯示了多種治療藥物(包括激酶抑制劑、藥物和短干擾RNA)在體內和體外的位點特異性釋放。這種“即插即用”的平臺可以擴展到智能生物材料工程，用于治療傳遞、精準醫療、組織工程和干細胞治療。相關研究以“A programmable polymer library that enables the construction of?stimuli-responsive nanocarriers containing logic gates”為題目，發表在Nat. Chem.上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41557-020-0426-3

圖2?利用高分子庫進行邏輯計算和序貫釋藥的SNCs設計

Nat. Mater.：納米顆粒進入實體腫瘤

納米顆粒通過腫瘤血管內的內皮細胞間隙(內皮細胞間間隙)運輸的概念是癌癥納米醫學的一個中心范式。發現這些間隙的大小可達2000納米。這證明了納米顆粒的發展可以治療實體腫瘤，因為它們的大小足夠小，可以滲出并進入腫瘤微環境。在此，多倫多大學Warren C. W. Chan教授等人證明了這些內皮間隙并不負責納米顆粒進入實體腫瘤的運輸。相反，研究發現多達97%的納米顆粒是通過內皮細胞的活性過程進入腫瘤的。這一結果來自于對四種不同的小鼠模型、三種不同類型的人類腫瘤、數學模擬和建模以及兩種不同類型的成像技術的分析。這些結果挑戰了目前開發癌癥納米藥物的基本原理，并表明了解這些活躍的途徑將開啟增強腫瘤積累的策略。相關研究以“The entry of nanoparticles into solid tumours”為題目，發表在Nat. Mater.上 。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41563-019-0566-2

圖3?納米顆粒可以通過活性的跨內皮途徑滲出

Nat.?Biomed.?Eng.：可見光和近紅外I /II窗口的多光譜熒光成像用于肝臟腫瘤手術

第二近紅外波長窗口(NIR-II, 1000-1700 nm)使組織的熒光成像在毫米深度和微米級分辨率下具有增強的對比度。然而，臨床上缺乏可行的NIR-II設備，阻礙了NIR-II成像的臨床轉譯。在這里，中科院自動化研究所田捷研究員和斯坦福大學Sanjiv Sam Gambhir,、Zhen Cheng教授描述了一種光學成像儀器，它集成了一個可見的多光譜成像系統，可以檢測NIR-II和NIR-I(700-900 nm)熒光(使用吲哚菁綠染料)，以幫助在熒光引導下手術切除肝臟原發和轉移性腫瘤。研究發現，與NIR-I成像相比，術中NIR-II成像具有更高的腫瘤檢測靈敏度，腫瘤與正常肝組織信號比(5.33:1.45)更高，腫瘤檢出率(56.41%:46.15%)增強。研究進一步推測，將NIR-I /II光譜窗與合適的熒光探針相結合，可能會改善臨床上的影像引導手術。相關研究以“First-in-human liver-tumour surgery guided by multispectral fluorescence imaging in the visible and near-infrared-I/II windows”為題目，發表在Nat. Biomed.?Eng.上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41551-019-0494-0

圖4?可見光和NIR-Ι/ II臨床應用多光譜成像儀器原理

Nat. Nanotechnol.：可轉化的納米肽在體內抑制HER2信號并導致癌細胞死亡

人表皮生長因子受體2 (HER2)在20%的乳腺癌中過表達。HER2受體的二聚導致下游信號的激活，使惡性表型得以增殖和存活。由于HER2的高表達水平，目前HER2⁺乳腺癌的治療需要聯合治療。在這里，加州大學戴維斯分校 Kit S. Lam教授團隊聯合中科院王磊研究員設計了一種無毒的可轉換的肽，它可以在水環境下自組裝成膠束，但是，當它與癌細胞上的HER2結合時，就會轉化成納米纖維，破壞HER2的二聚作用，并隨后發生下游信號事件，導致癌細胞凋亡。肽段的相變使HER2特異性靶向，抑制HER2二聚抑制細胞核內增殖和存活基因的表達。通過體外及體內實驗驗證了納米顆粒的纖維化轉化和最終良好的腫瘤治療效果。這種纖維結構轉化的超分子肽代表了一類受體介導靶向癌癥納米新型療法。相關研究以“Transformable peptide nanoparticles arrest HER2 signalling and cause cancer cell death in vivo”為題目，發表在Nat. Nanotechnol.上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41565-019-0626-4

圖5?可轉化的納米肽阻止HER2信號傳遞

Nat. Nanotechnol.：雙靶向納米疫苗對慢性乙型肝炎有治療性抗體應答

慢性乙型肝炎是由長期感染乙型肝炎病毒(HBV)引起的，它會大大增加患肝病的風險。盡管開發了預防乙肝病毒的疫苗，但誘導有效抗體反應的治療性疫苗仍然難以找到。中國科學院生物物理研究所朱明昭課題組設計了基于鐵蛋白納米顆粒的乙型肝炎病毒（HBV）preS1納米疫苗，在小鼠模型中，誘導產生了高水平、高親和力、持久的抗體應答和免疫記憶，不但具有出色的預防作用，而且在治療模型中獲得功能性治愈和HBsAg血清學轉換，并顯著降低HBVcccDNA。該研究還進一步揭示了鐵蛋白納米顆粒抗原被淋巴結SIGNR1⁺抗原呈遞細胞主動靶向識別、轉運、誘導Tfh和B細胞活化應答的免疫學新機制。相關研究以“Dual-targeting nanoparticle vaccine elicits a therapeutic antibody response against chronic hepatitis B”為題目，發表在Nat. Nanotechnol.上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41565-020-0648-y

圖6?鐵蛋白NP疫苗的分子設計與表征

Nat. Nanotechnol.：金納米團簇用于體內疾病監測

超小金納米團簇(AuNCs)已成為體內成像的靈敏探針，因為它們顯示出異常的腫瘤堆積和高效的腎臟清除特性。然而，其內在的催化活性，可以提高檢測靈敏度，還有待于在體內檢測。麻省理工學院Sangeeta N. Bhatia教授和倫敦帝國理工學院Molly M. Stevens教授合作通過利用過氧化物酶模擬活性的AuNCs和精確的納米級腎臟過濾，設計了多功能蛋白酶納米傳感器，可以對疾病微環境做出反應，在不到1h的時間內產生疾病狀態的直接比色法尿液讀數。研究監測了收集的大腸癌小鼠模型尿中AuNCs的催化活性，在該模型中，腫瘤小鼠小鼠與健康小鼠相比，比色信號增加了13倍。并且注射后4周內通過肝、腎排泄完全消除了納米感受器，沒有發現任何毒性。這種模塊化的方法將能夠通過利用各種疾病的特定酶信號來實現對各種疾病的快速檢測。相關研究以“Renal clearablecatalytic gold nanoclusters for in vivo disease monitoring”為題目，發表在Nat.?Nanotechnol. 上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41565-019-0527-6

圖7?納米催化劑信號放大傳感系統的設計

文中如有不妥之處，歡迎評論區留言~

本文由Junas供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。