“運載火箭”整裝待發(fā)，它將穿越重重阻力，精準地助力“導彈”命中“靶心”……這是發(fā)射場內(nèi)的場景嗎？不，這一切都發(fā)生在微觀層面。這枚僅有100納米左右的“火箭”就是由中國科學院長春應(yīng)用化學研究所研究員田華雨等人構(gòu)建的“高分子基因/藥物載體”。近日，這一研究成果榮獲2021年度吉林省自然科學獎一等獎。

近年來，科研人員一直試圖構(gòu)建高效、安全、低成本的高分子載體，為基因治療這一備受矚目的醫(yī)學技術(shù)插上騰飛的雙翼。

中國科學院長春應(yīng)用化學研究所的陳學思院士早在20年前就認識到開發(fā)高性能高分子基因載體的重要性和緊迫性。他曾說：“一方面我們要做深刻的基礎(chǔ)研究，要剖析基本科學問題，要知其然更要知其所以然，這是確保我們的研究能處于國際領(lǐng)先水平的前提。另一方面，我們要在實際需求中發(fā)掘問題，并且要努力推動高分子基因載體的產(chǎn)業(yè)化和商品化。”

此次獲獎的成果，正是該所科研人員為此奮斗20年的回報。

基因治療面臨“彈藥”運輸難題

基因治療的本質(zhì)是通過調(diào)控基因?qū)崿F(xiàn)治病目的。基因治療通常需要構(gòu)建有治療作用的基因，再把這些基因物質(zhì)送進基因異常的細胞里，以修復異常基因并制造有益蛋白。

自20世紀70年代基因治療技術(shù)誕生以來，它就被認為是醫(yī)學和藥學領(lǐng)域的一次革命，有望通過它治愈由基因缺陷或異常而引起的各類疾病。經(jīng)過多年的技術(shù)迭代、更新、積累，基因治療取得了快速的進步，一批突破性治療方法和基因治療藥物相繼問世，取得了一系列臨床成果。

由于其出色的表現(xiàn)，基因治療吸引了全球科學家的目光。20世紀90年代，各國科學家陸續(xù)開展了相關(guān)研究：1992年，意大利科學家首次成功地使用逆轉(zhuǎn)錄病毒修飾造血干細胞，此后的20余年里，利用基因治療血友病、實體瘤和白血病等也陸續(xù)取得了積極的成果，到了2017年，美國批準了第二種基于改造患者自身免疫細胞的療法，用來治療特定淋巴癌患者，基因治療再次掀起了研究熱潮。近年來，我國多地政府在科技發(fā)展規(guī)劃中，也都把基因治療作為未來科技創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。

但如此神奇的基因療法，卻面臨著一個關(guān)鍵問題：如何把基因或藥物運送到目標靶點。舉例來說，威力巨大的武器躺在發(fā)射架上，是談不上殺傷力的。以基因治療腫瘤為例，想要讓“彈藥”發(fā)揮作用，必須要有一款“運載火箭”將其送到目的地。

“人體的環(huán)境比大氣層還要復雜，將經(jīng)過改造的基因運送到需要治療的細胞中，同時還要避開正常的細胞，難度是很大的。”田華雨告訴科技日報記者。

高分子載體保證運送效率和安全

對基因治療而言，理想的載體既要能攜帶足夠數(shù)量的基因或藥物“彈藥”，又要對人體沒有毒性和致病性，能確保安全；既要夠堅固，能夠保護“彈藥”免遭核酸酶等的破壞，又要能精準地找到腫瘤細胞并進入細胞核中。

高分子載體一般是陽離子聚合物，具有安全、毒性小、易于功能化、可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，但其轉(zhuǎn)染效率低且缺乏智能響應(yīng)性是困擾全球科研人員的一道難題。

田華雨帶領(lǐng)科研人員采用“引入多重相互作用、協(xié)同增效”策略，在聚賴氨酸上接枝對甲苯磺酰基保護的精氨酸以獲得高性能的高分子載體，讓靜電相互作用、氫鍵相互作用、疏水相互作用協(xié)同合作，使得載體進入細胞的驅(qū)動力由單一變?yōu)槎嘀兀�大大增加了載體進入細胞的效率。

“這就好比火箭的升級換代，以前只是單級火箭，現(xiàn)在我們將多個火箭發(fā)動機串聯(lián)或者捆綁起來，就大大增加了火箭的動力。”田華雨說，高分子載體能夠自組裝成納米顆粒，透射電鏡結(jié)果顯示，納米顆粒的組裝體為球形，其平均大小約為75納米。

更有趣的是，科研人員還為這種納米“火箭”設(shè)計了一件“隱身衣”。田華雨解釋說，這樣做是因為高分子載體在體內(nèi)向腫瘤組織傳輸基因物質(zhì)的時候，循環(huán)系統(tǒng)和腫瘤部位對基因載體的理化性能要求是相互矛盾的。

“陽離子聚合物本身帶有正電荷，我們希望利用多余的正電荷幫助它進入到腫瘤細胞內(nèi)，但在運輸途中，它很容易和體液中的負電性蛋白相互作用，或者與非目標組織細胞作用造成非特異性吞噬，嚴重影響復合物納米顆粒向目標組織的傳輸效率。”田華雨說。

于是，科研人員巧妙地用雙醛基聚乙二醇緊緊地包裹住“火箭”，并壓縮其體積，使其能夠騙過體內(nèi)的負電性蛋白，從而高效地進入腫瘤細胞。到達目的地后，這件“隱身衣”又將在腫瘤細胞特殊的酸性環(huán)境中“脫去”。

載體由單一功能升級為多功能

從實踐效果來看，這種新型的高分子載體實現(xiàn)了基因物質(zhì)在體內(nèi)的高效傳輸，并在抗腫瘤治療方面取得了令人振奮的效果。實驗結(jié)果表明，利用這種辦法，腫瘤細胞內(nèi)吞效率和腫瘤生長抑制率都顯著提高。

不僅如此，科研人員還在載體中引入檢測和聯(lián)合治療單元，構(gòu)建多功能載體，提升了對疾病的實時監(jiān)測和治療能力。“我們構(gòu)建的高分子載體體系，具備基因和光聲雙模成像能力、基因和光熱聯(lián)合治療功能。上述特性使高分子載體由單一功能升級為多功能，具備了對腫瘤組織診療一體和雙重殺傷的能力。”田華雨說。

高分子載體聯(lián)合遮蔽體系，擔載著基因物質(zhì)、蛋白、化療藥物后，就成了一個通用型的載體平臺。利用這一平臺，田華雨等人又進一步構(gòu)建出基于兩種腫瘤酸性微環(huán)境響應(yīng)的納米遞藥體系——化療藥物裝載體系和基因裝載體系，進而開發(fā)了一種新型的免疫雞尾酒療法。該療法在數(shù)種腫瘤模型中都展現(xiàn)出了優(yōu)異的治療效力。

基因轉(zhuǎn)染試劑國產(chǎn)化打破國外壟斷

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從陳學思20年前布局高效的基因治療載體伊始，產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化就是這項技術(shù)的主要目標之一。雖然基因載體走向臨床治療仍需一段時日，但基因轉(zhuǎn)染試劑的產(chǎn)業(yè)化時機已經(jīng)成熟。

作為基因治療的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基因轉(zhuǎn)染試劑的核心技術(shù)一直以來都被國外公司壟斷。

鑒于此，在陳學思的鼓勵和帶領(lǐng)下，在科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和吉林省科技廳的大力支持下，田華雨研究員20年如一日地投入到了基因轉(zhuǎn)染試劑的研發(fā)工作中，在前人研究的基礎(chǔ)上銳意創(chuàng)新、攻克難關(guān)，徹底擺脫了我國在該領(lǐng)域受制于人的艱難困境。

“國產(chǎn)基因轉(zhuǎn)染試劑取得突破，使得我國改變了基因轉(zhuǎn)染試劑依賴進口的現(xiàn)狀。”田華雨說。目前，該研究團隊已經(jīng)成功開發(fā)出3個品種的基因轉(zhuǎn)染試劑，正在逐步拓展市場，目前已在50多家高校、醫(yī)院和科研機構(gòu)使用。（記者 楊 侖）