Advanced Functional Materials:蛋白药物稳定的仿生无定型矿物纳米颗粒作为优异的蛋白药物载体

利用递送技术将外源性蛋白药物送至体内,可有效治疗因蛋白缺失或减少等引起的疾病,并对组织缺损修复有显著促进作用。目前,递送载体是一种常见的手段。然而,如何保证蛋白药物活性的同时成功将其递送至生物体内仍是目前存在的主要问题。研究表明,生物矿物材料具有良好的生物相容性及可控的形貌特性,在蛋白药物载体领域获得了广泛关注。之前的大部分研究主要通过物理吸附或化学结合等方式实现蛋白药物的负载,但载体的蛋白负载能力及有限的长期释放性能均限制了其在蛋白药物载体领域的应用。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士课题组与同济大学王佐林教授课题组联合报道了一种利用蛋白药物稳定无定型矿物载体的同时,实现了矿物载体对蛋白药物的高负载及长期释放功能。文章基于仿生矿化的机制,通过蛋白药物作为矿物反应的有机添加剂,抑制了矿物的结晶过程。由于合成的无定型矿物材料没有特定的晶面,因此蛋白药物可均匀分布于矿物内,为蛋白药物的负载及释放性能打下了基础。此外,由于反应中没有引入其他的有机添加剂,合成环境绿色且便捷,避免了其他聚电解质对机体产生影响。

图1解说:受仿生矿化的启发,蛋白质可以作为矿物的有机添加剂,调控矿物的结晶过程,稳定矿物的无定型相,并且在生物条件下随载体逐渐讲解,实现蛋白药物IGF-1的有效释放,进而促进新骨的形成。

【图1】蛋白载体的合成及体内释放蛋白药物过程的示意图。

图2解说:矿化反应过程中,蛋白质的氨基和羧基与矿物材料之间发生相互作用,从而实现蛋白的均匀负载。而氨基、羧基在蛋白药物中非常常见,因此,这也为这种仿生矿化载体作为一种相对普世的蛋白药物载体奠定了基础。本实验分别合成了负载细胞色素C、牛血清白蛋白以及胰岛素样生长因子IGF-1的载体,并且均实现了蛋白药物的均匀负载。

【图2】蛋白药物载体的形貌及蛋白分布情况。(A)负载细胞色素C的ACCP载体(m-CyC);(B)负载牛血清白蛋白的ACCP载体(m-BSA);(C)负载IGF-1的ACCP载体(m-IGF-1)。图I为扫描电镜图。比例尺:300 nm;图II,III,IV,和V为透射电镜图,钙离子、氮离子和复合的元素分布Mapping图。比例尺:50 nm。

图3解说:文中主要利用m-CyC研究载体的蛋白活性保存及体外释放能力。结果显示,蛋白的一级结构及二级结构均获得了良好保存。载体在不同的释放条件下,均实现的蛋白的长期缓慢释放。

【图3】m-CyC的体外蛋白释放行为。(A)未经处理和经载体释放出的CyC的超高效液相色谱(UPLC)的结果。(B)未经处理和经载体释放的CyC的圆二色谱(CD)图。(C和D)在pH = 7.2时,不同蛋白浓度合成的m-CyC的累计蛋白释放浓度(C)和释放质量百分比(D)。(E和F)在不同pH下,m-CyC-1.0(蛋白浓度为1 mg/ml合成的m-CyC)的累计蛋白释放浓度(E)和释放质量百分比(F)。

图4解说:利用载体m-IGF-1,验证其对前成骨细胞系MC3T3-E1增殖分化的影响。结果证实载体的生物相容性较好,并且可有效促进细胞的增殖及成骨分化,实现了生长因子IGF-1的体内递送功能。

【图4】体外细胞实验验证m-IGF-1对前成骨细胞系MC3T3-E1的增殖及成骨分化能力的影响。(A和B)MC3T3-E1细胞与不同浓度的Control组(不含蛋白的矿物纳米颗粒,MNPs)和m-IGF-1组共培养1天(A)和3天(B)的增殖能力结果。*表示与0 μg/ml组比较,#表示与5 μg/ml的Control组比较。(C和D)MC3T3-E1在4组培养条件下的ALP染色(C)和ALP活性检测(D)的结果。(I)基础培养基;(II)成骨诱导培养基;(III)5 μg/ml的MNPs与成骨诱导培养基;(IV)5 μg/ml的m-IGF-1颗粒与成骨诱导培养基。(E和F)MC3T3-E1在4组培养条件下的茜素红S染色(E)和定量分析(F)结果。

图5解说:通过大鼠的颅骨缺损实验,也证实了m-IGF-1可有效促进骨缺损修复。

【图5】体内动物实验评估m-IGF-1对骨修复再生的影响。(A)不同处理30天后的大鼠颅骨缺损的Micro-CT图。比例尺:1 mm。(Blank组)未作处理;(Gelatin组)植入明胶海绵;(Control组)植入明胶海绵与MNPs;(m-IGF-1组)植入明胶海绵和m-IGF-1。

图6解说:最后,通过双光子显微镜,观察LepR-td小鼠颅骨缺损模型中骨缺损区域瘦素受体阳性细胞(红色)、I型胶原蛋白(蓝色)以及FITC标记的IGF-1(绿色)的分布情况。m-IGF-1组可见更多的细胞及胶原蛋白,并且在植入材料14天后仍可见缺损区域载体的存在,证明载体成功将生长因子IGF-1递送至体内,并实现了长期缓慢释放功能。

【图6】LepR-td小鼠颅骨缺损模型中不同组的双光子显微镜图像及定量分析的结果。(A)双光子激发显微镜图像。蓝色虚线为骨骼和生物材料的边界;黄色虚线为纳米颗粒的边缘;红色表示LepR-td细胞;蓝色为I型胶原蛋白(Col 1);绿色为FITC标记的IGF-1。(B,C,D和E)为生物材料区域对I型胶原蛋白(B和C)以及LepR-td细胞(D和E)的荧光强度和荧光面积的分析结果。

论文信息:

Drug Protein-Stabilized Biomimetic Amorphous Mineral Nanoparticles as Superior Drug Carriers

Jing-Shi Lei, Yi Zheng, Yu-Feng Meng, Fei Wang, Yan-Hui-Zhi Feng, Hai-Cheng Wang, Li-Bo Mao*, Shu-Hong Yu*, Zuo-Lin Wang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202202928

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202202928