用于细胞质递送和疾病治疗的低分子量化合物的相分离聚集体

《JACS Au》：Phase-Separated Coacervates of Low-Molecular-Weight Compounds for Cytosolic Delivery and Disease Treatment

LLPS驱动的共胶体由低分子量化合物自组装形成，作为大分子递送载体具有高负载、低毒性和高效细胞摄取特性。其机制涉及胆固醇依赖的膜结合及动态重排，应用涵盖光控、酶响应式药物释放、细胞表面工程及免疫治疗。未来需解决靶向性优化、稳定性提升及生命起源机制解析等挑战。

　　### 液液相分离驱动的凝聚体在细胞内传递中的应用

液液相分离（LLPS）驱动的凝聚体作为一种新兴的生物医学平台，正逐渐成为大分子药物递送的重要手段。这种凝聚体通过自组装形成，具备高载药能力、低细胞毒性以及高效的细胞摄取效率，因此在治疗多种疾病方面展现出巨大潜力。近年来，研究人员不仅关注传统的聚合物和蛋白质系统，还开始探索低分子量化合物（LMWCs）如肽和小分子是否能够形成具有功能性的凝聚体。通过这种新型的分子设计策略，科学家能够更好地模拟细胞内的微环境，为治疗提供更加灵活和高效的工具。

在研究过程中，人们发现凝聚体的形成机制与多种非共价相互作用密切相关，如氢键、π-π堆积、阳离子-π相互作用、静电相互作用和疏水相互作用等。这些相互作用使得凝聚体能够在水环境中自发地分离成一个高浓度的密集相和一个低浓度的稀释相。其中，密集相形成了凝聚体滴，而稀释相则保留了较低浓度的分子。与传统的油水乳液不同，LLPS系统中水既是凝聚体内部的连续相，也是外部的连续相，这使得凝聚体具有独特的物理和化学特性。

凝聚体的形成不仅依赖于分子间的相互作用，还受到外部环境因素的影响，如pH值、离子浓度和温度变化等。例如，某些肽在特定的pH条件下能够形成液滴，而其他分子则可能通过酶反应或光响应机制实现相分离或组装。这种动态的自组装特性使得凝聚体能够根据环境变化进行调整，从而实现更精准的药物递送。此外，凝聚体还能够动态地交换溶质，这使得它们在模拟原始细胞结构方面具有重要意义。

### 凝聚体的细胞摄取机制

为了实现有效的细胞内传递，凝聚体必须通过特定的细胞摄取机制进入细胞。目前，研究者发现凝聚体的摄取途径主要分为两大类：巨胞吞作用（macropinocytosis）和吞噬作用（phagocytosis）。对于较大尺寸的凝聚体，巨胞吞作用是主要的摄取机制，而较小的凝聚体则可能通过内吞作用（endocytosis）进入细胞。此外，胆固醇在凝聚体与细胞膜的相互作用中也扮演了重要角色，它能够通过调节膜的刚性，增强凝聚体与膜的结合能力，从而促进细胞摄取。

在研究中，科学家们还发现，凝聚体的摄取机制可能受到其分子组成和结构的影响。例如，某些凝聚体能够通过直接膜泄漏或膜穿孔的方式进入细胞，而另一些则需要依赖于特定的细胞内环境，如低pH值或高浓度的还原性物质（如GSH）。这种多样性使得凝聚体在不同细胞类型中具有不同的摄取效率和机制，同时也为研究者提供了更多的设计可能性。通过结合多种摄取机制，研究人员能够开发出更加高效的递送系统，如混合机制（hybrid mechanism），这种机制结合了巨胞吞作用和内吞作用的特点，使得凝聚体能够在不同细胞中实现更广泛的摄取。

### 凝聚体在治疗中的应用

凝聚体在治疗中的应用范围非常广泛，不仅限于药物递送，还包括基因编辑、癌症治疗、免疫细胞修饰以及细胞表面工程等多个领域。通过调控凝聚体的形成和释放机制，研究人员能够开发出多种刺激响应系统，如酶响应、光响应、氧化还原响应和葡萄糖响应等。这些系统能够根据细胞内的特定条件，如高浓度的GSH或特定的酶反应，实现药物的释放和靶向递送。

在癌症治疗中，凝聚体能够通过多种机制靶向肿瘤细胞，如通过与肿瘤细胞内的特定受体结合，或通过改变细胞内的微环境，如pH值或氧化还原状态，实现药物的释放。例如，Yu等人开发了一种磺酸酶响应的凝聚体，该凝聚体能够与肿瘤细胞内的应力颗粒（SGs）相互作用，从而破坏SGs的保护功能，最终促进细胞凋亡。此外，Jokerst等人开发了一种凝血酶响应的凝聚体，该凝聚体能够在体内环境中释放药物，从而实现靶向治疗。

在免疫细胞修饰方面，凝聚体能够通过与细胞膜的相互作用，如通过铁离子的配位作用，将特定的治疗性单克隆抗体（如曲妥珠单抗）结合到自然杀伤细胞（NK细胞）表面，从而增强NK细胞对肿瘤细胞的识别和杀伤能力。这种细胞表面工程方法不仅提高了治疗效果，还为开发新型的免疫疗法提供了新的思路。

### 未来研究方向与挑战

尽管凝聚体在药物递送和治疗方面展现出巨大潜力，但仍然存在许多挑战。首先，如何实现更精准的靶向递送仍然是一个关键问题。虽然一些凝聚体能够通过特定的酶响应机制实现局部释放，但非特异性降解或与其他结构相似的底物发生交叉反应仍然限制了其应用。此外，一些凝聚体可能在体内环境中表现出较高的细胞毒性，这可能与其与细胞膜的相互作用方式有关，如通过改变膜的结构或引发细胞应激反应。

为了克服这些挑战，研究人员正在探索多刺激响应的凝聚体系统，这种系统能够结合多种触发机制，如酶响应、光响应和氧化还原响应，从而提高释放的灵敏度和准确性。同时，凝聚体的结构稳定性也是需要关注的问题，尤其是在复杂的细胞环境中，如何维持其结构的稳定性并实现选择性分子交换仍然是一个重要的研究方向。此外，研究者还希望通过开发更复杂的凝聚体系统，如结合多种功能基团或引入不同的相互作用方式，来提高其在生物医学应用中的效率和安全性。

凝聚体的研究还涉及其在生命起源中的作用，即如何从简单的液滴发展为具有更高复杂性和生命功能的结构。虽然凝聚体在模拟原始细胞方面具有重要意义，但其稳定性问题，如Ostwald熟化、聚结、表面扩散和溶解，仍然是需要解决的关键挑战。通过引入不同的表面修饰，如PEG、脂质或红细胞膜，可以增强凝聚体的结构稳定性，使其在复杂的细胞环境中保持功能。

总的来说，凝聚体作为一种新兴的药物递送平台，具有独特的物理和化学特性，能够实现高效的细胞摄取和靶向释放。通过进一步研究其形成机制和细胞摄取途径，科学家能够开发出更加精准和高效的治疗策略。同时，通过结合多种刺激响应机制，凝聚体能够实现更加灵活的药物递送，为生物医学领域提供新的工具和思路。