15年前,科學家發現了一種阻礙基因表達路徑的方法——RNA干擾(簡稱RNAi)。這項榮膺2006年諾貝爾獎的發現承載著醫學科學的迫切希望,它可以通過沉默基因來阻礙特定蛋白制造,從而達到疾病治療的效果。不過到目前為止,RNA干擾技術很難在活體細胞中取得應用。
圖片說明:由不同尺寸的相同物質構成的量子點,會發出不同顏色的光。
(圖片來源:Xiaohu Gao, University of Washington)
美國華盛頓大學和埃默里大學科學家的一項最新研究,首次成功利用“量子點”(quantum dots)技術解決了這一問題。研究證實,新技術向細胞內導入小分子干擾RNA(siRNA)的效率是現有方法的10至20倍。相關論文在線發表于《美國化學會志》(JACS)。
論文作者之一、華盛頓大學助理教授Xiaohu Gao說,“我們相信這會對siRNA輸運領域產生重要影響。”另一位作者、佐治亞理工和埃默里大學教授聶書明也認為,“新的工作有助于攻克siRNA領域長期以來的一大障礙——如何在低毒性下高效地沉默基因。”
量子點即半導體熒光納米球,具有特殊光學性質,它們能夠按照尺寸發出不同顏色的光,因此被用于細胞成像、太陽能電池和發光二極管中。在最新研究中,科學家讓直徑6納米的量子點與siRNA復合體結合,帶正電荷的“質子海綿”(proton sponges)圍繞在每個量子點的周圍。而新方法的關鍵就是,研究人員可以調整量子點表層質子海綿的化學組成,從而精確控制量子點與siRNA的結合緊密度。
研究表明,在沒有量子點的情況下,攜帶負電荷的siRNA無法進入細胞;而有量子點陪同時,帶弱電的siRNA復合體能夠穿過細胞膜,并且擺脫內涵體(包裹進入細胞物質的脂肪泡),從而在細胞液中積累,實現阻斷蛋白制造的工作。
研究人員發現,實驗中當通過量子點輸運siRNA時,細胞內一種蛋白的生產可以降低到正常水平的2%。相比之下,用三種商業試劑或其他促反應物質來輸運siRNA時,該蛋白的生產為正常水平的13%至51%。
圖片說明:導入量子點-siRNA復合體15分鐘和1小時的細胞圖像。可以看到,前者主要集中在細胞中,后者已經分散到整個細胞液中。(圖片來源:University of Washington)
除了更高效地實現基因沉默,新技術的另一個重要方面就是熒光量子點可以讓科學家觀測siRNA在細胞內的運動。此前的示蹤劑發光時間不超過一分鐘,而用于細胞成像的量子點每次發光時間可達到一小時。在最新實驗中,研究人員能夠對siRNA路徑進行多個小時的觀測追蹤。
此外,新方法對細胞的毒性也比現有化學物質弱10倍。不過,量子點為何比現有技術更加有效,其原因還是個謎。Xiaohu Gao表示,“我們認為這種改進是由逃脫內涵體以及量子點與siRNA分離的能力引起的。”
由于美國食品與藥物管理局(FDA)沒有批準量子點可以用于人體,研究人員正在試圖將新技術“移植”到鐵氧化物粒子上來。聶書明表示,“展望未來,這項工作對活體siRNA療法具有重要意義——活體siRNA療法將需要無毒的鐵氧化物和生物降解聚合物運載體,而非量子點。”
(《美國化學會志》(JACS),10.1021/ja800086u,Maksym V. Yezhelyev, Lifeng Qi, Ruth M. O’Regan, Shuming Nie, and Xiaohu Gao)
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JACS論文摘要
聶書明實驗室主頁
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