Münster大学的科学家最近开发了一种完全由生物成分构成的新型纳米容器。与其他货物运输工具不同的是，这种运输工具不是基于脂类，而是基于糖化合物，糖化合物被一层蛋白质结构(所谓的多肽)密封起来，其厚度是经过精确剪裁的。化学家巴特·简·拉沃(Bart Jan Ravoo)教授解释说:“我们确实是人工合成了纳米容器的成分，但它们会被细胞吸收，而且由于我们开发的整体结构，它们也会像自然存在的物质一样被细胞降解。”生物化学家Volker Gerke教授补充道:“为了降解细胞内的容器外壳，我们利用了两种自然发生的机制——因此，运输的物质一旦到达细胞，就会迅速释放出来。”

科学家们希望利用这种直径约150纳米的微型纳米容器，向细胞装载标记有生物学意义的脂质，这些脂质可以用来研究细胞膜内发生的运输过程。此外，他们计划进一步发展容器的化学设计，使容器只被某些类型的细胞吸收，或只有在外部光线刺激下才释放它们的货物。在未来，由糖和蛋白质组成的运输系统也可能适用于生物体内，将药物专门运送到特定的组织和细胞中。这项研究发表在Advanced Science杂志上。

生物灵感材料自行组织，形成载货集装箱

为了合成新的货运载体，科学家们使用了糖化合物(改性环糊精)，这种化合物与每个细胞中自然存在的某些脂类在结构和行为上都很相似。与保护细胞膜脂类相似，糖结构自行排列，形成一个外壳，在外壳中包裹着要运输的物质。然而，由于最终的容器仍然是渗漏的，并且随着时间的推移会失去它的货物，科学家们添加了蛋白质结构(多肽)，在容器周围形成密封层。“为了测试密封层需要有多厚，我们改变了肽序列的长度，并对它们进行了调整，使容器能够稳定地封装货物，”化学博士生、该研究的两位主要作者之一Sharafudheen Pottanam Chali解释说。

利用自然途径进入细胞的纳米容器

在下一步，科学家们研究了新开发的纳米容器是否以及如何被细胞占用。他们的假设是，这是通过所谓的内吞作用发生的。在这个过程中，细胞内化细胞膜的一部分并将其捏掉，形成被称为核内体的小泡，细胞外物质通过核内体运输到细胞内。为了验证这一点，科学家们使用了一种已知会被内吞作用所吸收的糖化合物(葡聚糖)。他们用红色荧光葡聚糖处理细胞培养，同时，添加了装满绿色荧光物质(吡喃)的纳米容器。“在荧光显微镜,很明显,这两种物质被分成同样及其荧光细胞重叠明显,因此我们可以得出这样的结论:nanocontainers,就像右旋糖酐,是有效的细胞通过endosomal运输过程,”解释卡里莫夫Kudruk,他是一名生物化学博士，也是这项研究的主要作者。科学家们在两种不同的细胞类型——人类血管细胞和癌细胞上证实了这一点。

容器壳被细胞内体中的酶降解

核内体内部的条件不同于细胞环境，这是科学家在设计纳米容器时已经考虑到的。他们构建容器的方式是，内核体中改变的环境使多肽外壳不稳定，并部分降解——因此，纳米容器变得渗漏，并将其货物释放到细胞内部。Sergej Kudruk解释说:“当容器被核内体吸收时，两种我们已知存在于核内体的酶开始发挥作用，这两种酶可以促进壳在特定位置的降解。”Sharafudheen Pottanam Chali补充说:“所谓的还原酶会降解之前建立的用于交联纳米容器中的肽分子的二硫化物桥——此外，肽酶本身会切割肽分子。”科学家们还测试了细胞外容器外壳的降解性。为此，他们在容器中加入荧光染料，并使用胰蛋白酶和还原剂模拟部分复杂的内体微环境。处理后，染料立即漏出。

Journal Reference:

1. Sergej Kudruk, Sharafudheen Pottanam Chali, Anna Livia Linard Matos, Cole Bourque, Clara Dunker, Christos Gatsogiannis, Bart Jan Ravoo, Volker Gerke. Biodegradable and Dual‐Responsive Polypeptide‐Shelled Cyclodextrin‐Containers for Intracellular Delivery of Membrane‐Impermeable Cargo. Advanced Science, 2021; 2100694 DOI: 10.1002/advs.202100694