劍橋大學的科學家開發(fā)了一種高度多孔的納米顆粒，稱為金屬有機框架(MOF)，可以將靶向小干擾RNA(siRNA)的疾病基因直接傳遞至細胞。使用siRNA敲除疾病相關(guān)基因作為癌癥治療的方法引起了極大的興趣，但是完整地將分子遞送到細胞是具有挑戰(zhàn)性的。由劍橋大學領(lǐng)導的研究人員由化學工程和生物技術(shù)學系David Fairen-Jimenez博士領(lǐng)導，利用計算模擬來找到具有理想孔徑的MOF，該MOF可以將siRNA分子封裝并攜帶至靶細胞，并且然后分解并釋放進入細胞內(nèi)的siRNA貨物。

“以前做過此實驗的人使用的MOF的孔隙度不足以封裝siR??NA，因此很多可能只是停留在外部，” Fairen的前博士學位學生Michelle Teplensky評論道， Jimenez的小組，也是該小組論文的第一作者，該論文發(fā)表在Chem上。“我們使用了可以封裝siR??NA的MOF，當它被封裝時，您將提供更多的保護。”研究人員的研究報告在題為“ 為基因敲除提供有效載荷的高度多孔的金屬有機框架系統(tǒng) ”的論文中。

siRNA是小的雙鏈RNA片段，通常長21至23個核苷酸，可以設(shè)計為阻斷特定基因的表達，從而阻止其蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。作者指出，該技術(shù)作為治療難治性癌癥以及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病和病毒感染的巨大潛力。siRNA作為一種阻斷過度表達的癌癥驅(qū)動基因的策略特別具有吸引力，因為該分子在基因敲除方面非常高效，但它們也無毒，高度特異性-最大限度地降低了脫靶效應(yīng)的風險，并且不會觸發(fā)免疫反應(yīng)。設(shè)計siRNA所需要做的只是針對敲除的基因序列。和，

使用siRNA治療疾病的問題之一是分子非常不穩(wěn)定，在達到目標之前常常被分解。研究人員寫道：“盡管siRNA療法具有使癌癥患者受益的潛力，但其主要局限性在于它缺乏穩(wěn)定性，并且容易被天然生物酶降解。” 化學修飾siRNA分子可使它們更穩(wěn)定，但這會損害其擊倒靶基因的能力。siRNA分子進入細胞也很困難。它們需要由另一輛充當傳遞代理的車輛進行運輸。

Fairen-Jimenez領(lǐng)導了對高級材料(尤其是MOF)的研究，MOF是由金屬和有機構(gòu)件連接在一起的自組裝3D化合物。研究小組說：“ ... MOF是一類由金屬離子或通過有機連接基連接的簇組成的多孔自組裝材料，是最有前途的生物醫(yī)學材料之一。” 研究人員可以合成成千上萬種不同類型的MOF，包括目前在Cambridge Structural Database中的超過84,000種MOF結(jié)構(gòu)-每月向其發(fā)布1,000種新結(jié)構(gòu)。MOF的屬性也可以針對特定目的進行微調(diào)。通過改變MOF結(jié)構(gòu)的不同成分，研究人員可以創(chuàng)建具有不同孔徑，穩(wěn)定性和毒性的分子，

Fairen-Jimenez說：“采用傳統(tǒng)的癌癥療法，如果您正在設(shè)計用于治療該系統(tǒng)的新藥，那么它們的行為，幾何形狀，大小可能會有所不同，因此您需要針對每種單獨藥物均最佳的MOF，” 。“但是對于siRNA，一旦開發(fā)出一個有用的MOF，原則上就可以將其用于一系列不同的siRNA序列，從而治療不同的疾病。”

對于siRNA傳遞，MOF載體必須是可生物降解的，這樣它才不會在細胞中積累。Teplensky及其團隊選擇的MOF分解為無害的成分，這些成分可被細胞輕松回收而沒有毒副作用。“我們選擇的MOF是由基于鋯的金屬節(jié)點制成的，并且我們已經(jīng)進行了許多研究，表明鋯是非常惰性的，不會引起任何毒性問題，” Teplensky評論道。該團隊設(shè)計的MOF的大孔徑也意味著可以將大量的siRNA裝載到每個MOF載體中，因此可以將所需劑量保持在非常低的水平。

Teplensky說：“使用具有如此大孔的MOF的好處之一是，我們可以獲得比其他系統(tǒng)所需的局部得多，更高的劑量。” siRNA非常強大，您不需要大量的siRNA就能獲得良好的功能。所需劑量小于MOF孔隙率的5%。”

使用MOF或其他媒介物將小分子帶入細胞的一個潛在問題是，它們可以通過內(nèi)體包裹而停止，這是一種細胞防御機制，可防止有害成分進入細胞。Fairen-Jimenez的團隊在其MOF中添加了額外的成分，以防止它們在轉(zhuǎn)運到細胞中時被困住，因此有助于確保siRNA達到其靶標。“…通過將siRNA與各種輔助因子(質(zhì)子海綿，KALA肽和NH 4 Cl)聯(lián)合包裹在MOF中，我們證明可以逃避內(nèi)體保留并確?；蚯贸行?。”

該團隊使用該系統(tǒng)敲低了在測試細胞系中產(chǎn)生熒光蛋白的基因。研究人員與化學工程和生物技術(shù)系負責研究的超高分辨率顯微鏡專家Clemens Kaminski博士和Gabi Kaminski-Schierle博士合作，應(yīng)用顯微鏡成像技術(shù)來測量和比較蛋白質(zhì)發(fā)出的熒光在已經(jīng)或未使用siRNA加載的MOF處理的細胞中 他們的實驗表明，通過使用MOF平臺，他們可以始終防止基因表達降低27%，這一水平與該系統(tǒng)可能用于敲除癌癥基因的水平相適應(yīng)。

作者總結(jié)說：“據(jù)我們所知，這項工作是第一個利用大型多孔網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)部封裝足夠數(shù)量的siRNA以實現(xiàn)基因敲低的工作。” “ MOF材料的穩(wěn)定性為長期存儲提供了未來的優(yōu)勢，而MOF的可調(diào)性可以允許進一步修改以提高功效。通過這項工作，我們展示了如何通過實施這種高度多孔的材料來提高基因療法的功效和效率。”

Fairen-Jimenez認為，也有可能進一步提高該系統(tǒng)的效力。下一步將是將該平臺應(yīng)用于涉及治療難治性癌癥的基因。“我們經(jīng)常被問到的一個問題是'為什么要在醫(yī)療保健中使用金屬有機框架?” 因為其中涉及的金屬聽起來可能對身體有害，” Fairen-Jimenez承認。“但是我們專注于難治性疾病，例如難以治療的癌癥，在過去的20年中，這種疾病一直沒有得到改善。我們需要一些可以提供解決方案的東西;僅僅延長生命的幾年將是非常受歡迎的。

該系統(tǒng)的多功能性將使該團隊能夠使用相同的適應(yīng)性MOF來遞送不同的siRNA序列并靶向不同的基因。由于其較大的孔徑，MOF還具有同時遞送多種藥物的潛力，這可能會導致聯(lián)合療法的發(fā)展。