用于皮肤基因治疗的新型核酸输送体系

2022年11月7日，北京化工大学的徐福建教授、胡杨副教授团队与美国伊利诺伊大学芝加哥校区程钢教授合作在Matter期刊上发表了一篇题为“One ternary nucleic acid delivery system with smart dextran-peptide coating enables in vivo and ex vivo wound therapy”的新研究。

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该成果报道了通过多糖与多肽的高效化学反应制备了葡聚糖-负电性多肽偶合体，进而构建出带有智能壳层的三元核酸输送体系（HPD），实现了高血清稳定性和剂量独立性的体外核酸输送，以及体内和离体两种模式的皮肤创面基因治疗。

论文通讯作者是徐福建、程钢、胡杨；第一作者是范亚倩。

皮肤具有复杂的结构和功能，对维持人体的内环境稳态十分重要。由手术、外伤或代谢性疾病等因素引起的皮肤损伤已成为常见疾病，实现高效高质创面愈合的需求非常迫切。基因治疗是皮肤创面中的一种有前景治疗策略，可通过在创面输送可编码生长因子的质粒DNA，具有原位、连续输送生长因子的优势。然而，广泛开发的阳离子聚合物基核酸输送系统常伴随着易于血清蛋白发生相互作用、低剂量下转染效率快速/非线性降低等缺陷，不足以有效应对创面大量渗出液、原代细胞难转染等皮肤创面基因治疗面临的障碍。天然多糖、多肽等材料因其良好的生物相容性和结构可调控性，近年来在基因输送体系研究中具有灵活的材料设计空间。

北京化工大学徐福建教授、胡杨副教授团队和美国伊利诺伊大学芝加哥校区程钢教授合作，首先设计了负电性多肽（CH2E5），通过迈克尔加成反应接枝到改性葡聚糖骨架上，构建了可稳定合成的葡聚糖-负电性多肽偶合体（Dex-H2E5）；再将Dex-H2E5包覆于聚六亚甲基双胍（PHMB）/质粒的二元正电性核酸复合体系的外层，制备了带有智能壳层的三元核酸输送体系（HPD）。在体外实验验证HPD的高效输送核酸性能及其作用机制基础上，HPD被应用于体内和离体两种模式的皮肤缺损基因治疗（递送编码人源表皮生长因子的功能质粒phEGF以治疗全层缺损创面），上海交通大学医学院附属瑞金医院合作者杨沛瑯主治医师和刘琰主任医师对动物实验模型的构建和分析提供了指导。

图1：三元基因递送体系HPD的制备及其在皮肤缺损模型中的基因治疗示意图。

HPD可以克服核酸递送过程中的多重障碍。相比于二元体系，Dex-H2E5壳层可以有效降低HPD的表面电位、适当增加其粒度。在体外模拟条件下测试发现，Dex-H2E5壳层可以有效降低HPD的表面非特异性蛋白吸附，使其具有高血清环境的体系稳定性；壳层还表现出恰当的pH响应性，有利于提高细胞内HPD的内涵/溶酶体逃逸能力、并促进DNA的有效释放。

图2：HPD的理化结构表征和模拟条件下克服核酸递送过程中多重障碍性能分析。

HPD可以实现多模式下高效输送报告质粒和治疗性质粒。细胞系的报告质粒转染结果表明， HPD在标准血清/剂量、高血清和低剂量条件下均具有低毒和高转染效率的优异性能。此外，HPD在 L929细胞中可有效输送 phEGF，上调EGF蛋白的表达并促进细胞增殖；还可以在原代大鼠成纤维细胞（RFB）中低毒、高效地输送报告质粒。

图3：HPD在细胞系中递送报告质粒的性能分析。

图4：HPD在细胞系中递送治疗性质粒和原代细胞递送报告质粒的性能分析。

HPD可以实现体内/离体两种模式的皮肤创面基因治疗的良好效果。在大鼠皮肤全层缺损模型中采用体内基因治疗模型A（即在创面中利用HPD单次输送低质粒剂量的phEGF，转染伤口中的残留细胞，In vivo），实现了伤口的快速愈合、愈合质量也较高。针对大面积烧伤或溃疡创面残存细胞较少的潜在应用，设计了离体基因治疗模型B（即预先通过HPD对同种异体的RFB细胞在体外输送phEGF，然后在创面上施以基因编辑后的RFB细胞悬液，Ex vivo），也实现了皮肤创面的快速高效愈合。

图5：HPD在全层缺损皮肤模型中的体内和离体基因治疗的促愈合效果。

该工作提供了一种高效、可稳定合成的聚合物基核酸输送体系的构建方法，为皮肤疾病基因治疗的临床应用提供了可借鉴的治疗模式，并有望应用于需要高效基因治疗的其它临床场景中。研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFB3800900），国家自然科学基金（51829301、51703008和51733001）和北京卓越青年科学家计划（BJJWZYJH01201910010024）的资助。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.10.011