Nat Nanotech和Science之後再發AM封面

川大郭俊凌天然多酚界面組裝：Nat Nanotech和Science之後再發AM封面

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

輕工產業應用了眾多天然生物質資源，例如膠原纖維與植物多酚（製革產業）、纖維素（造紙產業）等。對這些生物質資源的高值資源化利用和跨學科研究已經成為可持續與綠色化學和輕工學科發展的重要方向，同時也是推動輕工產業升級的重要舉措。四川大學郭俊凌教授生物質先進材料與納米界面研究中心BMI團隊專注對製革工業中的「植物單寧」（又名「植物多酚」）開展了深入的研究，其系列研究構建了基於植物多酚的新材料跨學科發展體系，這些材料在應用上拓展到了海水鈾的提取（Energy Environ. Sci.,2019, 12, 607，點擊查看詳細）、新型病毒疫苗的製備、膜蛋白的納米自組裝（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 9866）、惡性黑色素瘤的治療（Adv. Sci.,2019, 6, 1801688，點擊查看詳細）、生物大分子細胞內遞送（Adv. Funct. Mater.,2020, 30, 1910566）等。近期，郭俊凌教授團隊與哈佛大學著名生物材料學家Mitragotri教授（美國工程院院士、美國醫學院院士）合作，利用植物多酚與多種生物大分子的作用特性，開發了一種全新的細胞工程化技術，為先進細胞治療與細胞雜化複合體的構建提供了一種全新的平臺。

基於細胞的疾病治療方法，包括向患者進行直接的活細胞治療方法，已經在臨床上取得了顯著療效。與傳統的化療方案相比，嵌合抗原受體T細胞免疫療法（CAR-T）在治療和改善多發性骨髓瘤、白血病、淋巴瘤、黑色素瘤、宮頸癌、膽管癌和神經母細胞瘤等方面有獨特優勢。另外，使用其他細胞如紅細胞、巨噬細胞、單核細胞、自然殺傷細胞和多能幹細胞的細胞治療方法用於治療癌症，慢性感染和自身免疫性疾病都處於最前沿的新型治療方法。但是，這些細胞治療方法都依賴於細胞遺傳物質的改變和擴增，這需要數周的準備時間。例如，CAR-T細胞療法需要至少三周，這對晚期或者轉移性癌症患者是不能接受的。因此，開發具有多功能的、模塊化且快速的離體細胞工程方法將會對細胞治療領域產生重要影響。

基於郭俊凌教授與墨爾本大學Frank Caruso教授（英國皇家科學院院士、澳大利亞工程院院士、科學院院士）等人之前的工作（Nat. Nanotech., 2016, 11, 1105，點擊查看詳細與Science, 2018, 362, 813），郭俊凌等人將多酚界面組裝的方法擴展到了生物分子並組裝在哺乳動物細胞表面上，從而創建一個多功能化的細胞生物平臺，命名為「Cellnex」。該研究發表在最新一期的國際頂級期刊Advanced Materials。

首先作者通過植物多酚界面通用修飾能力將超過十種的生物分子（包括功能蛋白質、DNA、mRNA和病毒載體等）成功粘附在紅細胞上，體現了該技術在誘導生物大分子與哺乳動物細胞結合的通用性，之後作者還對其他幾種細胞類型（包括T細胞、單核細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞和NK細胞）進行了工程改造，使其適應相應的Cellnex變體，展示了可定製的細胞工程設計平臺（圖1）。該平臺具有靈活的攜帶生物分子的性能，可用於多種細胞分子基礎療法和生物雜交細胞工程。

圖1. Modular assembly of 「Cellnex」 through the assembly of polyphenol-functionalized biologically active nanocomplexes on cells.

紅細胞生物相容性好，臨床應用範圍廣，常用於基於血管的藥物治療的新興平臺，因此作者選擇紅細胞作為Cellnex設計的初始實例進行後繼研究（圖2）。發現模型生物分子卵清蛋白（OVA）和紅細胞組成的Cellnex體系能主動靶向到肺和腎臟，並在肺中有接近24小時的駐留。紅細胞Cellnex不需要任何親和力部分（例如，內皮結合抗體）即可實現較高的肺聚集。與游離OVA對照相比，肺部攝取的增加倍數在約11倍（從0.08小時到6小時）到約140倍（在24小時）之間。這些結果表明，紅細胞Cellnex能夠高度選擇性地在肺中輸送蛋白質，持續較長的釋放時間，並最終允許排洩（圖2f）。我們分析了OVA/紅細胞Cellnex在肺微結構內的分布。如圖2g所示，經過工程設計的OVA/紅細胞Cellnex系統能夠輸送大量貨物，並高度分布在這些「難以觸及」的毛細管血管微結構中。通過仿生灌注實驗，作者進一步證實了紅細胞Cellnex獨特的「無顆粒」靶向性能。

圖2. Erythrocytenex selectively target lungs via particle-free mechanisms.

通用的Cellnex工具箱可以應用於多種哺乳動物細胞（圖3），作者選擇巨噬細胞作為模型來製備基於巨噬細胞的Cellnex系統，並進一步研究了多酚官能化納米複合物對巨噬細胞功能的影響。巨噬細胞能主動靶向腫瘤區域，是作為抗腫瘤藥物靶向遞送的理想載體。免疫檢查點阻斷是一種有前景的腫瘤免疫治療方法，anti-PD-L1能特異性結合腫瘤細胞中PD-L1蛋白，從而阻止T細胞中PD-1蛋白與PD-L1結合，進而促進腫瘤免疫治療。因此，靶向遞送anti-PD-L1一直是腫瘤免疫治療的熱點，於是作者將anti-PD-L1蛋白通過Cellnex技術負載於巨噬細胞上，探究了anti-PD-L1/Macrophagenex的抗腫瘤效果。首先，作者發現通過Cellnex技術修飾在巨噬細胞Cellnex上的生物大分子不會被內吞。接下來，分析了巨噬細胞Cellnex在4T1 3D腫瘤球中的分布，發現anti-PD-L1/Macrophagenex能夠將PD-L1抗體遞送至腫瘤球體中心部位，說明多酚官能團化納米複合物對巨噬細胞進入腫瘤區域的功能沒有影響（圖3c-3f）。最後，作者構建了黑絲素瘤小鼠動物模型，以生理鹽水、巨噬稀細胞、anti-PD-L1以及IgG/Macrophagenex為對照，研究了anti-PD-L1/Macrophagenex的體內抗腫瘤效果。結果顯示巨噬細胞，IgG/Macrophagenex對小鼠腫瘤體積減少沒有明顯效果（在15天內腫瘤體積超過1,500 mm3）。單獨的anti-PD-L1在15天內治療效果明顯，然而隨著時間的延長，抗腫瘤效果減弱，在第20天的時候腫瘤體積接近1,500 mm3。anti-PD-L1/Macrophagenex抗腫瘤效果要明顯優於單獨的anti-PD-L1，在第20天的時候小鼠腫瘤體積只有653 mm3，這說明anti-PD-L1/Macrophagenex系統能有效的靶向遞送anti-PD-L1蛋白到腫瘤區域，並在保證其活性的前提下將其釋放用於抗腫瘤免疫治療（圖3g 與 3h）。另外，anti-PD-L1/Macrophagenex組小鼠與其他組小鼠體重變化無明顯差異，說明了Cellnex系統相對安全。

圖3. Versatile cellular toolbox of Cellnex and the engineered Macrophagenex for sensing and chemotaxis.

總而言之，郭俊凌教授團隊報導的基於天然多酚的新型Cellnex平臺提供了一種簡單且具有通用性的細胞模塊化工程技術，其中將生物分子與多酚簡單地按一定比例混合以形成納米級絡合物，然後在各個活細胞的表面進行組裝。在細胞擴增完成的情況下，Cellnex可迅速製備（不到10分鐘），這對臨床細胞治療往往具有重要意義。同時，郭俊凌教授團隊證明了Cellnex通過攜帶生物分子和細胞的靈活工具箱實現了可定製的細胞工程平臺，其中紅細胞Cellnex可選擇性地靶向肺部毛細血管，在肺癌或慢性呼吸道感染等疾病的治療方面有一定的應用潛力。另外，與PD-L1抗體整合的巨噬細胞Cellnex能夠通過化性滲透到4T1乳腺癌腫瘤球體中，並且在體內實驗中還觀察到了anti-PD-L1/巨噬細胞Cellnex具有更好的體內抗腫瘤效果。隨著藥物和治療手段的不斷發展，Cellnex技術為廣泛的細胞療法和生物-無機複合體的設計和製備提供了一個強有力的新平臺，同時，該研究也進一步展現了基於傳統輕工業生物質資源在先進生物醫學與新材料方面的廣闊應用前景。

該研究工作由四川大學與哈佛大學共同完成，第一作者為哈佛大學SEAS工學院趙宗敏博士和Daniel Pan博士共同完成。

Engineering of Living Cells with Polyphenol-Functionalized Biologically Active Nanocomplexes

Zongmin Zhao, Daniel C. Pan, Qin M. Qi, Jayoung Kim, Neha Kapate, Tao Sun, C. Wyatt Shields IV, Lily Li-Wen Wang, Debra Wu, Christopher J. Kwon, Wei He, Junling Guo, Samir Mitragotri

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003492

（本文由郭俊凌教授團隊龔貴東助理研究員撰寫）

研究團隊簡介

郭俊凌教授團隊構建了生物質先進材料與納米界面研究中心（BMI Center for Biomass Materials and Nanointerfaces），旨在對輕工生物質資源的高值轉化利用，構建全生物基新型功能材料，主要研究方向為生物醫學、環境能源材料、界面新材料以及基礎生物質化學。團隊依託四川大學國家「雙一流」重點建設學科，搭建了國內頂尖的科研平臺，擁有豐富的科研資源和頂尖的科研設施。本團隊鼓勵國際合作、多學科交叉、跨領域交流、以及先進技術轉化。

詳見BMI相關網站：

https://www.bmicenter.org/

招聘崗位及招聘要求

崗位：高水平研究助理2名（碩士及以上學歷），課題組行政助理1名，優秀博士、碩士研究生多名、優秀本科生多名。具有海外學歷並在高水平期刊發表論文的申請人，將協助申請四川大學特聘副教授/研究員加入BMI團隊。