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细胞与组织具备多种细胞间通讯机制。目前已知可在细胞间转运蛋白质与RNA的纳米级组装体存在，但外源性添加物或合成材料对该过程的影响尚不明确。
都柏林大学生物纳米相互作用中心（Centre for BioNano Interactions, CBNI）的研究人员探究了纳米结构-生物杂合复合物从一个细胞排出并进入另一个细胞过程中的精细变化。
该研究的通讯作者、CBNI主任Kenneth Dawson哲学博士表示：“我们长期以来一直认为，生物体内存在天然的转运载体和通路，可让特殊的极小颗粒实现信息传递。”
该团队的研究成果以《凝聚层冠-纳米颗粒复合物可在细胞间转运功能性生物分子》为题发表于《自然·材料》（Nature Materials）期刊。
在少数情况下，进入细胞的部分纳米颗粒会发生意外转化，外层形成被称为凝聚层冠（condensate corona）的包覆结构，该结构可使纳米颗粒以受控方式进入细胞。
该研究的第一作者、都柏林大学生物分子与生物医学科学学院Yan Yan副教授表示：“通过利用这些天然通路，我们有望将功能性生物分子‘工具箱’（例如长效校正序列）直接递送至此前难以触及的细胞内区域，还可跨越生物屏障，大幅提升RNA疗法、基因疗法与蛋白疗法的疗效，同时能显著改善这类疗法的安全性。”
研究人员使用“预先通过接枝或吸附修饰生物分子冠的磁核二氧化硅壳纳米颗粒”构建了支架，可为细胞提供识别信号，诱导细胞在其表面沉积第二层冠结构。这类纳米颗粒具备磁核与携带荧光标记的二氧化硅壳，便于操控、提取与成像观察。
活细胞成像结果显示，经过上述二次修饰的纳米颗粒可被细胞再次排出，且同时保留原始冠结构与新生成的细胞源外层结构。
论文作者指出：“我们将磁核提取、优化的脉冲追踪方案与分离后洗涤步骤相结合，获得了重复性极高、背景污染极低的颗粒复合物分离产物。”分析结果显示，该细胞源冠结构“呈类固态，结构稳定且生化耐受性强”。
研究人员还对生成冠结构的细胞采用稳定同位素标记氨基酸细胞培养技术（stable-isotope amino acid labelling, SILAC）结合质谱分析，鉴定了冠结构的蛋白质谱。这些蛋白对内质网（endoplasmic reticulum, ER）与线粒体具有高亲和力，其中约70%的蛋白此前已被证实与细胞内介观RNA颗粒相关。
Dawson表示：“获得该原型系统后，我们得以解析这类通讯过程，明确细胞间生物信息的传递机制。在此基础上，我们开始尝试通过同一系统递送人工设计的信息分子。”
在后续实验中，研究团队发现，该复合物进入受体细胞的内体后，冠结构会与纳米颗粒核心解离，二者的胞内命运发生分离：冠结构携带的蛋白质与RNA组分会逃逸内体、避免被降解，进而在细胞内分布并作用于靶点。研究人员通过在冠结构表面接枝短肽，可阻断该过程，使冠结构及其携带的物质滞留于内体中。
研究人员利用CRISPR-Cas9技术对逃逸内体的冠结合颗粒的功能进行了验证，构建了携带生物发光标记的颗粒复合物以监测其功能活性。分析结果显示“凝聚层运载的货物可将完整的酶活性递送至受体细胞”。
论文作者表示，综合所有数据，这类凝聚层可发挥编码型生物分子转运程序的功能，可被受体细胞激活。论文中提到：“值得关注的是，完全由供体细胞内源性生物分子构成的这类结构，可自带转运程序，解决纳米治疗药物面临的绝大多数核心挑战。”
Dawson总结道：“该研究成果为向体内现有技术难以抵达的部位递送具有治疗效力的靶向生物分子提供了全新蓝图，也催生了一种全新的医学理念：有望逆转而非仅控制当前的难治性疾病。”
专业注释
- 凝聚层冠：纳米颗粒表面形成的类固态生物分子包覆层
- SILAC：稳定同位素标记的蛋白组学定量分析技术
- 脉冲追踪：分析分子动态转运的经典细胞生物学技术