劍橋大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種高度多孔的納米顆粒，稱為金屬有機(jī)框架(MOF)，可以將靶向小干擾RNA(siRNA)的疾病基因直接傳遞至細(xì)胞。使用siRNA敲除疾病相關(guān)基因作為癌癥治療的方法引起了極大的興趣，但是完整地將分子遞送到細(xì)胞是具有挑戰(zhàn)性的。由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員由化學(xué)工程和生物技術(shù)學(xué)系David Fairen-Jimenez博士領(lǐng)導(dǎo)，利用計(jì)算模擬來找到具有理想孔徑的MOF，該MOF可以將siRNA分子封裝并攜帶至靶細(xì)胞，并且然后分解并釋放進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的siRNA貨物。

“以前做過此實(shí)驗(yàn)的人使用的MOF的孔隙度不足以封裝siR??NA，因此很多可能只是停留在外部，” Fairen的前博士學(xué)位學(xué)生Michelle Teplensky評(píng)論道， Jimenez的小組，也是該小組論文的第一作者，該論文發(fā)表在Chem上。“我們使用了可以封裝siR??NA的MOF，當(dāng)它被封裝時(shí)，您將提供更多的保護(hù)。”研究人員的研究報(bào)告在題為“ 為基因敲除提供有效載荷的高度多孔的金屬有機(jī)框架系統(tǒng) ”的論文中。

siRNA是小的雙鏈RNA片段，通常長21至23個(gè)核苷酸，可以設(shè)計(jì)為阻斷特定基因的表達(dá)，從而阻止其蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。作者指出，該技術(shù)作為治療難治性癌癥以及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病和病毒感染的巨大潛力。siRNA作為一種阻斷過度表達(dá)的癌癥驅(qū)動(dòng)基因的策略特別具有吸引力，因?yàn)樵摲肿釉诨蚯贸矫娣浅８咝?，但它們也無毒，高度特異性-最大限度地降低了脫靶效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，并且不會(huì)觸發(fā)免疫反應(yīng)。設(shè)計(jì)siRNA所需要做的只是針對(duì)敲除的基因序列。和，

使用siRNA治療疾病的問題之一是分子非常不穩(wěn)定，在達(dá)到目標(biāo)之前常常被分解。研究人員寫道：“盡管siRNA療法具有使癌癥患者受益的潛力，但其主要局限性在于它缺乏穩(wěn)定性，并且容易被天然生物酶降解。” 化學(xué)修飾siRNA分子可使它們更穩(wěn)定，但這會(huì)損害其擊倒靶基因的能力。siRNA分子進(jìn)入細(xì)胞也很困難。它們需要由另一輛充當(dāng)傳遞代理的車輛進(jìn)行運(yùn)輸。

Fairen-Jimenez領(lǐng)導(dǎo)了對(duì)高級(jí)材料(尤其是MOF)的研究，MOF是由金屬和有機(jī)構(gòu)件連接在一起的自組裝3D化合物。研究小組說：“ ... MOF是一類由金屬離子或通過有機(jī)連接基連接的簇組成的多孔自組裝材料，是最有前途的生物醫(yī)學(xué)材料之一。” 研究人員可以合成成千上萬種不同類型的MOF，包括目前在Cambridge Structural Database中的超過84,000種MOF結(jié)構(gòu)-每月向其發(fā)布1,000種新結(jié)構(gòu)。MOF的屬性也可以針對(duì)特定目的進(jìn)行微調(diào)。通過改變MOF結(jié)構(gòu)的不同成分，研究人員可以創(chuàng)建具有不同孔徑，穩(wěn)定性和毒性的分子，

Fairen-Jimenez說：“采用傳統(tǒng)的癌癥療法，如果您正在設(shè)計(jì)用于治療該系統(tǒng)的新藥，那么它們的行為，幾何形狀，大小可能會(huì)有所不同，因此您需要針對(duì)每種單獨(dú)藥物均最佳的MOF，” 。“但是對(duì)于siRNA，一旦開發(fā)出一個(gè)有用的MOF，原則上就可以將其用于一系列不同的siRNA序列，從而治療不同的疾病。”

對(duì)于siRNA傳遞，MOF載體必須是可生物降解的，這樣它才不會(huì)在細(xì)胞中積累。Teplensky及其團(tuán)隊(duì)選擇的MOF分解為無害的成分，這些成分可被細(xì)胞輕松回收而沒有毒副作用。“我們選擇的MOF是由基于鋯的金屬節(jié)點(diǎn)制成的，并且我們已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，表明鋯是非常惰性的，不會(huì)引起任何毒性問題，” Teplensky評(píng)論道。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的MOF的大孔徑也意味著可以將大量的siRNA裝載到每個(gè)MOF載體中，因此可以將所需劑量保持在非常低的水平。

Teplensky說：“使用具有如此大孔的MOF的好處之一是，我們可以獲得比其他系統(tǒng)所需的局部得多，更高的劑量。” siRNA非常強(qiáng)大，您不需要大量的siRNA就能獲得良好的功能。所需劑量小于MOF孔隙率的5%。”

使用MOF或其他媒介物將小分子帶入細(xì)胞的一個(gè)潛在問題是，它們可以通過內(nèi)體包裹而停止，這是一種細(xì)胞防御機(jī)制，可防止有害成分進(jìn)入細(xì)胞。Fairen-Jimenez的團(tuán)隊(duì)在其MOF中添加了額外的成分，以防止它們?cè)谵D(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中時(shí)被困住，因此有助于確保siRNA達(dá)到其靶標(biāo)。“…通過將siRNA與各種輔助因子(質(zhì)子海綿，KALA肽和NH 4 Cl)聯(lián)合包裹在MOF中，我們證明可以逃避內(nèi)體保留并確?；蚯贸行?。”

該團(tuán)隊(duì)使用該系統(tǒng)敲低了在測(cè)試細(xì)胞系中產(chǎn)生熒光蛋白的基因。研究人員與化學(xué)工程和生物技術(shù)系負(fù)責(zé)研究的超高分辨率顯微鏡專家Clemens Kaminski博士和Gabi Kaminski-Schierle博士合作，應(yīng)用顯微鏡成像技術(shù)來測(cè)量和比較蛋白質(zhì)發(fā)出的熒光在已經(jīng)或未使用siRNA加載的MOF處理的細(xì)胞中 他們的實(shí)驗(yàn)表明，通過使用MOF平臺(tái)，他們可以始終防止基因表達(dá)降低27%，這一水平與該系統(tǒng)可能用于敲除癌癥基因的水平相適應(yīng)。

作者總結(jié)說：“據(jù)我們所知，這項(xiàng)工作是第一個(gè)利用大型多孔網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)部封裝足夠數(shù)量的siRNA以實(shí)現(xiàn)基因敲低的工作。” “ MOF材料的穩(wěn)定性為長期存儲(chǔ)提供了未來的優(yōu)勢(shì)，而MOF的可調(diào)性可以允許進(jìn)一步修改以提高功效。通過這項(xiàng)工作，我們展示了如何通過實(shí)施這種高度多孔的材料來提高基因療法的功效和效率。”

Fairen-Jimenez認(rèn)為，也有可能進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的效力。下一步將是將該平臺(tái)應(yīng)用于涉及治療難治性癌癥的基因。“我們經(jīng)常被問到的一個(gè)問題是'為什么要在醫(yī)療保健中使用金屬有機(jī)框架?” 因?yàn)槠渲猩婕暗慕饘俾犉饋砜赡軐?duì)身體有害，” Fairen-Jimenez承認(rèn)。“但是我們專注于難治性疾病，例如難以治療的癌癥，在過去的20年中，這種疾病一直沒有得到改善。我們需要一些可以提供解決方案的東西;僅僅延長生命的幾年將是非常受歡迎的。

該系統(tǒng)的多功能性將使該團(tuán)隊(duì)能夠使用相同的適應(yīng)性MOF來遞送不同的siRNA序列并靶向不同的基因。由于其較大的孔徑，MOF還具有同時(shí)遞送多種藥物的潛力，這可能會(huì)導(dǎo)致聯(lián)合療法的發(fā)展。