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不对称修饰的酶驱动血小板马达用作动态靶向药物递送

相较于传统的人工合成材料,细胞具有独特的优势成为良好的载药和治疗平台,比如良好的生物相容性、循环时间长以及特异性结合能力等。但细胞负载平台一般是依靠被动的扩散作用到达目标地点,这也限制了细胞平台的运输和靶向的效率。如果能将细胞从被动的状态转化成具有自主运动能力的细胞马达平台,会大大提高细胞负载平台的靶向治疗效率,减少可能产生的副作用。


近日,北京科技大学张学记教授团队与加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授和Liangfang Zhang教授团队合作,在Science Robotics 杂志上报道了利用不对称尿素酶修饰得到的血小板马达,可在尿素燃料中获得有效的驱动力,提高细胞马达与肿癌细胞或细菌的结合效率,从而增强细胞马达的靶向治疗效果。该论文第一作者是北京科技大学博士生唐颂颂。Science Robotics 杂志同期发表焦点文章肯定该论文为细胞马达的发展提供了新的思路。[1]

图1. 期刊界面文章展板图:血小板马达(红色)与癌细胞(紫色)和大肠杆菌(绿色)特异性结合的扫描电镜图。图片来源:Sci. Robot.


图2. 血小板马达的合成与表征。图片来源:Sci. Robot.


血小板的不对称修饰是在商业化的细胞培养孔板中进行的。作者利用离心作用使血小板与多聚赖氨酸修饰的孔板底面紧密结合,同时带负电的细胞膜与带正电的多聚赖氨酸层会进一步增强结合作用,促使与底板接触的细胞膜被封闭,暴露在溶液中的细胞膜部分才会被修饰。实验证明在细胞表面不对称地修饰尿素酶不会对细胞本身性质造成影响,因此血小板马达还保持着血小板的自身性质,例如良好的载药能力、与肿癌细胞或细菌的特异性结合能力等。

图3. 不对称修饰的血小板马达与全修饰的血小板的运动对比。图片来源:Sci. Robot.


接着作者对比了Janus不对称尿素酶修饰和非对称全包裹的尿素酶后的细胞运动效果。结果表明,不对称修饰会带来更强的驱动力,使血小板马达具有更好的运动效果。

图4. 载药血小板马达具有增强癌细胞结合效率和抗癌治疗效果的作用。图片来源:Sci. Robot.


相较于未修饰的血小板,血小板马达在尿素溶液中的有效运动会提高细胞马达与癌细胞或细菌的结合效率,进而提高载药血小板马达的靶向治疗效果。


总结


该构建的“酶驱动血小板马达”消除了以往文献报道的细胞马达对外部能量场或自驱动马达的依赖,直接将内源性的酶与细胞相结合,得到一个完全生物相容的细胞马达平台,可以在尿素燃料存在下进行长时间的自主运动。这种有效运动会增强细胞马达与癌细胞或细菌的结合效率,进而提高载药血小板马达的靶向治疗效果。此外,尿素是一种常见的体液,在泌尿系统中广泛存在,这也为未来血小板马达在临床治疗的应用提供了可能,比如可以进行膀胱癌或尿道感染的相关治疗。同时这种不对称的细胞表面修饰方法可以很简单地扩展到其他的酶和细胞的组合中,这也为未来细胞马达的研究和发展提供了更多可能性。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Enzyme-powered Janus platelet cell robots for active and targeted drug delivery

Songsong Tang, Fangyu Zhang, Hua Gong, Fanan Wei, Jia Zhuang, Emil Karshalev, Berta Esteban-Fernández de Ávila, Chuying Huang, Zhidong Zhou, Zhengxing Li, Lu Yin, Haifeng Dong, Ronnie H. Fang, Xueji Zhang, Liangfang Zhang, Joseph Wang

Sci. Robot., 2020, DOI: 10.1126/scirobotics.aba6137


导师介绍

张学记

https://www.x-mol.com/university/faculty/8847

Liangfang Zhang

https://www.x-mol.com/university/faculty/66113


1. 焦点文章

Transforming platelets into microrobots

https://robotics.sciencemag.org/content/5/43/eabc6582


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