Small:氧化铁纳米粒:干细胞的高效基因传递助推器

干细胞治疗是近年来兴起的一种新型治疗技术,在组织再生,基因治疗,免疫治疗以及靶向治疗等方面都显示了具大的应用潜力。对干细胞进行相关治疗基因的重组可以进一步提高干细胞治疗的疗效或赋予干细胞新的治疗能力。然而,这一重要的干细胞改良策略在当前的发展却面临着如何对干细胞进行高效且安全的基因重组这一重大挑战。

氧化铁是一种既古老又年轻的磁性材料,其在纳米尺寸下显示了许多特殊的尺寸效应和磁性特征。氧化铁纳米粒(IONPs)可以在外界磁场的作用下被迅速和大量地聚集到细胞膜表面,再通过其纳米尺寸特性被细胞高效摄取。同时,IONPs还具有良好的生物相容性,和易于表面修饰以及大量可控制备等优点。因此,其被认为是一种潜在的可以实现对干细胞高效且安全的基因传递的良好载体,有望为当前干细胞基因重组的难题提供新的解决方案。浙江大学药学院和李达三·叶耀珍干细胞与再生医学研究中心的高建青教授团队长期从事干细胞基因转染和干细胞作为靶向传递载体用于神经修复及抗肿瘤等方面研究,与相关团队合作针对干细胞的高效基因重组(Adv Mater, 201807591; Adv Funct Mater, 201900603)和干细胞再生治疗(ACS Nano, 2019, 13, 14283-93; Nano Lett, 2020, 20, 4298-305)等开展研究。课题组基于自身工作经验,并结合最新的文献报道,系统且全面地总结了IONPs用于干细胞基因传递的研究现状和最新进展,并对影响IONPs基因传递效率的相关物理、化学和生物因素进行了归纳和总结。最后对这一纳米材料用于干细胞基因传递的安全性和面临的挑战以及未来的发展趋势进行了深入的讨论。本文第一作者为浙江大学药学院专职研究副研究员张添源博士。相关综述论文发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.202001588)。

相比非磁性转染试剂, IONPs可以借助磁引力在极短的时间内将其携载的目的基因大量聚集在细胞膜表面,从而有利于目的基因被细胞的摄取。同时,IONPs还能改变基因载体在细胞内的分布和促进目的基因从溶酶体中逃逸。此外,大量目的基因随IONPs在短时间内的入胞还能促进目的基因通过剂量依赖的细胞核被动转移和渗透而高效入核。上述这些作用使得IONPs犹如火箭的助推器,强有力地提高基因的传递效率,进而实现对干细胞的高效基因重组。该综述以此为切入点,概述了IONPs用于基因传递的主要机制和优势,并系统总结了影响基因传递效率和安全性的相关因素和当前面临的挑战,具体包括:

一、物理化学性质的影响。IONPs的尺寸、形貌、化学组分、颗粒的均一性、纳米粒的表面修饰以及纳米粒间和纳米粒与目的基因间的组装方式对于IONPs的磁性特征,与细胞膜的相互作用方式、细胞摄取途径和胞内过程等都具有明显的影响,进而决定了IONPs的基因传递效率和安全性。具有高长径比的均一IONPs可能比常见的球形IONPs具有更高效的基因传递潜能。

二、基因转染体系的影响。对于基于IONPs的磁转染,其转染效率还受到外界磁场的强度和频率以及干细胞培养体系等的影响。低频交变磁场或者无磁场条件下的有血清转染体系或者三维转染体系在针对干细胞的基因传递中展现了效率和安全性上的优势,有望成为未来的重要研究方向之一。

三、面临的挑战。干细胞具有特殊的多向分化潜能和定向迁移等干细胞特性。同时,干细胞间的细胞通讯对于干细胞的增殖和功能发挥也十分关键。因此,在使用IONPs对干细胞进行基因传递时需要考虑对上述干细胞功能或特性的影响。此外,如何规模化制备具有良好生物相容性的均一IONPs,减少批间差异等对基因传递效率的影响,也是当前IONPs在干细胞上的转化应用所面临的主要挑战。

总之,IONPs已经展现了用于干细胞高效基因传递的巨大潜能和较好的安全性。该综述论文将为IONPs的合理设计和相应转染体系的构建提供重要的参考和指导,并指明了未来将这一极具潜能的纳米材料用于干细胞基因重组需要着重解决的问题和面临的主要挑战。