在设计蛋白质的帮助下细胞外囊泡更容易装载

细胞外囊泡(EV)可以作为出色的药物输送载体。它们的低毒性和低免疫原性使它们在持续治疗或重复给药的情况下非常有用。但有一个问题。EV的装载很困难。EV可能会失去结构完整性，放入EV中的治疗货物可能会失去活性。

为了解决这些问题，西北大学的科学家研究了蛋白质如何与EV的质膜和脂筏相关联。科学家利用膜光谱学和生物信息学分别证实了EV在膜顺序和蛋白质组成上与脂筏类似。他们利用生物信息学分析来更好地了解EV中天然存在的蛋白质的物理特性。他们生成了一个跨膜和外周蛋白库，这些蛋白预计会很好地或很差地装入EV。这项工作使他们能够生成一个跨膜和外周蛋白库，这些蛋白预计会很好地或很差地装入EV。

科学家在《自然通讯》上发表了他们的研究成果，题为“通过设计蛋白质-脂质相互作用增强细胞外囊泡货物装载和功能递送”。

“[我们]证明，通过合理设计蛋白质以运输到质膜并与脂质筏结合，我们可以增强蛋白质货物进入EV的能力，从而实现一系列结构多样的跨膜和外周膜蛋白，”文章作者写道。“然后，我们证明了选择脂质标签能够介导增加EV负载和功能性传递工程转录因子，以调节靶细胞中的基因表达。”

EV是一种天然的脂质纳米粒子，可以运送生物货物并介导自然的细胞间通讯。只需一点帮助，它们就可以被用来将生物药物(如蛋白质、RNA以及两者的组合)运送到身体的特定患病部位。

西北大学的科学家们试图有效地将一种工程蛋白质递送到其目标细胞并引发细胞基因表达的变化。他们通过使用经过工程改造的蛋白质来实现这一目标，这些蛋白质可以“运输并结合”特定的细胞膜结构，研究人员发现，这增加了蛋白质附着在容器上的可能性。

这一成功使研究人员距离解决生物医药发展的一个主要瓶颈更近了一步，即确定如何保护体内脆弱的分子，并确保它们到达患者体内正确的患病细胞，而不会影响健康细胞。

这项研究结合了西北大学合成生物学中心两个实验室的工作成果：生物医学工程师NehaKamat博士和化学与生物工程师JoshLeonard博士。Kamat实验室主要专注于合成容器的设计，并使用生物物理原理来控制针对其他细胞的分子。Leonard实验室开发了构建工程化EV的工具。

“我们感兴趣的是应用一些已经出现的关于如何将蛋白质定位到特定膜结构上的生物物理见解，以便我们能够劫持这个自然系统，”该论文的共同通讯作者、麦考密克工程学院副教授卡马特说。“在这项研究中，我们发现了将药物货物非常有效地装入这些囊泡同时保留其功能的一般方法。这可能使基于细胞外囊泡的生物药物更有效、更实惠。”

这种“装载货物”方法的关键是细胞膜上称为脂质筏的部位。这些区域比膜的其余部分结构更复杂，并且可靠地包含特定的蛋白质和脂质。

这篇文章的主要作者是贾斯汀·佩鲁齐(JustinPeruzzi)和泰勒·冈内尔(TaylorGunnel)，在研究期间，他们都是卡马特实验室的博士生。“一些人认为脂筏在EV的形成中发挥了作用，因为EV膜含有与脂筏相同的脂质，”佩鲁齐说。“我们假设，如果我们设计出与脂筏相关的蛋白质，它们可能会被装载到囊泡中，从而被运送到其他细胞。”

该团队利用蛋白质数据库和实验室实验确定脂筏结合是一种将蛋白质货物装载到囊泡中的有效方法，可以使多达240倍的蛋白质装载到囊泡中。

在发现这一生物物理原理后，研究人员展示了该方法的实际应用。他们设计细胞以产生一种称为转录因子的蛋白质，将其装载到EV中，然后将其递送到细胞中以改变受体细胞的基因表达，而不会在递送时损害蛋白质的功能。

Kamat和Leonard表示，将治疗性货物装入EV的主要挑战在于生产细胞和受体细胞通常相互矛盾。例如，在产生EV的细胞中，你可以设计治疗性货物使其与膜紧密结合，以增加其进入即将释放的EV的机会。然而，这种行为在受体细胞中通常是不受欢迎的，因为粘附在膜上的货物可能不起作用。相反，你可能希望货物从EV膜上释放出来，移动到细胞核中发挥其生物学功能。答案是创造具有可逆功能的货物。

Gunnels表示：“在构建基于EV的药物时，实现可逆膜关联的工具可能非常强大。虽然我们还不确定确切的机制，但我们的方法已经证明了这种可逆性。我们能够证明，通过调节脂质-蛋白质相互作用，我们可以装载和功能性地运送我们的模型治疗货物。展望未来，我们渴望使用这种方法来装载治疗相关分子，如CRISPR基因编辑系统。”

研究人员表示，他们渴望尝试利用药物货物的方法，用于免疫治疗和再生医学中的疾病应用。

“如果我们能够将功能性生物药物装入经过设计，仅将这些生物分子递送至患病细胞的EV中，我们就可以打开治疗各种疾病的大门，”共同通讯作者、麦考密克教授Leonard说道。“由于我们在系统中观察到的普遍性，我们认为这项研究的发现可以应用于为各种疾病状态递送各种治疗药物。”