分享一篇发表在Nature Biotechnology上的文章，题目为“Self-assembling protein nanoparticles for cytosolic delivery of nucleic acids and proteins”，通讯作者是哈佛医学院的Chaikof教授和Chen助理教授，前者的研究兴趣包括生物医学工程、新材料和疗法的开发，后者的研究兴趣包括免疫系统中的靶点识别和新疗法开发。

细胞内生物大分子（如核酸、蛋白质）的高效递送是基因治疗和蛋白质疗法的关键瓶颈。现有递送系统（如病毒载体、脂质纳米颗粒）存在免疫原性、毒性或规模化生产困难等问题。本研究中，作者开发了一种治疗性生物大分子的递送系统（elastin-based nanoparticles for therapeutic delivery，ENTER），实现了对mRNA、DNA、siRNA、蛋白质及基因编辑核糖核蛋白（RNP）的高效胞质递送。

弹性蛋白样多肽ELP由短重复基序VPGXG组成，在低于转变温度时可溶，高于转变温度时可逆地相分离形成不溶性凝聚物。作者先前报道了两亲性双嵌段ELP，它们能自组装成具有亲水表面和疏水核心的胶束纳米颗粒，可用于蛋白质和小分子向细胞外靶点递送（本工作中的第一代ELP），但可能由于不能介导有效的内体逃逸导致无法进行蛋白的细胞内递送。

在V1-ELP的基础上，作者设计了新的三代ELP，其中V2-ELP通过在疏水核心序列中引入组氨酸残基，使其能够响应低pH（内体酸化触发解组装）增强内体逃逸，释放药物分子。V3-ELP又在ELP的N端融合了经典穿膜肽（EEP，如S10），增强膜渗透性，但EEP暴露在纳米颗粒表面，导致高的细胞毒性。最后，通过将EEP融合在疏水核的C端，不仅显著降低了ELP颗粒的细胞毒性，还能够在内吞完成后响应内体的酸性环境发生解体，从而暴露穿膜肽，介导药物分子的内体逃逸。实验表明，ELP-S10颗粒递送Cre酶的效率远高于单独使用S10，且具有低剂量、低毒性的优势。

为了提高V4-ELP的递送效率，作者使用机器学习辅助的序列设计优化了EEP的序列：利用多元线性回归方法，基于已发表数据集中73个穿膜肽的数据，训练了递送效果的预测模型，并从数据库中筛选符合条件的序列并打分，选择排行靠前的序列进行SP10的结构类似化以后，评估体外递送实验效果。初次设计得到的递送效率最高的两条EEP（1和5）具有明显但低于SP10的递送性能，作者又把这两条肽的结构特征——正电氨基酸是K而不是R加入到筛选条件中，第二轮设计成功得到了比SP10更高递送效率的EEP14和EEP13。

作者还对EEP序列的多聚化进行了优化，然后分别在不同的递送场景中评估了ENTER系统的泛用性。实验发现，ENTER在HEK293中递送SpCas9的效率与商用专业化脂基递送系统CRISPRMAX相当，而ABE8e碱基编辑器的递送效率优于CRISPRMAX；向多种原代细胞中递送Cre酶的编辑效率高于LNP；向巨噬细胞递送IRF5转录因子成功诱导巨噬细胞重编程产生促炎表型；向细胞递送mRNA或质粒DNA的递送效率与商用试剂相当；同时递送SpCas9 mRNA和sgDNA达到26%的编辑效率；还能对Ai9小鼠通过ELP-EEP13/Cre复合鼻内给药，在小鼠大气道上皮细胞实现25.4%的基因编辑，而LNP基因编辑效率仅3.9%。

总的来说，这篇工作通过理性设计和人工智能筛选，创造了兼具高效性与安全性的多种生物大分子通用递送系统，为基因治疗和蛋白质药物开发提供了变革性工具。

本文作者：ZZX

责任编辑：LYC

DOI：10.1038/s41587-025-02664-2

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-025-02664-2