综述：液-液相分离介导的有序与病理性混沌：从细胞组织到精确调控

《Journal of Controlled Release》：Liquid-liquid phase separation mediated order and pathological chaos: From cellular organization to precision modulating

本文系统综述液液相分离（LLPS）的机制、生物学功能及其在疾病治疗中的应用，探讨其热力学与动力学基础，分析LLPS在癌症、神经退行性疾病及微生物感染中的病理作用，并详述基于LLPS的药物递送系统设计原理、响应行为及疗效，同时指出当前稳定性、普适性和生物相容性等挑战。

　　

陈朗|庄卓平|范友翔|姜晨|孙涛

教育部智能药物递送重点实验室，闵行医院，国家医学神经生物学重点实验室及教育部脑科学前沿中心，复旦大学药学院药剂学系，上海201203，中国

摘要

液-液相分离（LLPS）已成为调控生物分子在无膜凝聚体中动态分隔的基本机制。本文全面分析了LLPS的原理，从热力学和动力学基础入手，详细阐述了LLPS如何驱动多种生物功能，包括亚细胞区室化、基因表达调控、信号转导、细胞骨架动态以及应激反应。同时重点讨论了LLPS失调的病理后果，特别是其在癌症发展、神经退行性疾病和微生物感染中的作用，这些作用通过异常转录激活、病理蛋白聚集和免疫信号传导紊乱等机制体现出来。本文的核心内容是基于LLPS的药物递送系统，系统分析了由脂质、肽、蛋白质和聚合物构建的递送平台的设计原理、响应行为和治疗效果。这些系统在原位形成药物储存库、刺激响应释放以及协同多药递送方面展现出独特优势。尽管在稳定性、普适性和生物相容性方面存在挑战，但利用LLPS原理为精准治疗开辟了新的途径，将基础生物学研究与药物递送技术创新相结合。

引言

相分离是一种普遍存在的物理化学现象，贯穿于凝聚态物质、复杂化学系统和生物系统的多尺度动态过程中。在凝聚态物理学中，相分离通常由对称性破缺引起的有序-无序转变引发，其数学模型为分析多组分系统的临界行为提供了基础理论框架[1]。对化学系统的研究进一步揭示了相分离的机制，例如胶体溶液的研究表明，动力学和界面效应控制着相态的演变，强调了浓度波动和相互作用势的调节作用[2]。与传统物理化学中的静态平衡相不同，生物液-液相分离（LLPS）产生的凝聚体具有高度动态性和亚稳态特性。这些通过多价弱相互作用形成的结构不断与周围环境进行物质交换，其形成、溶解和性质受到磷酸化、分子伴侣等生物机制的精确调控。这一现象挑战了传统平衡相分离理论的应用范围，促使LLPS理论框架的建立[3]。尽管取得了显著进展，该领域仍面临核心挑战，如生物微环境的非平衡特性与经典热力学模型的兼容性、多尺度力耦合的定量机制以及病理相变的早期诊断策略等。这些方面亟需突破。

作为调控细胞空间组织和功能网络的关键生物物理机制，LLPS近年来受到了跨学科的广泛关注。在可逆弱相互作用的作用下，LLPS促进了动态无膜细胞器的形成，实现了大分子的精确空间富集和调控。LLPS在多种生理和病理过程中发挥着核心作用，如信号转导、应激反应、代谢区室化和病理蛋白聚集，成为理解复杂细胞内系统自组织原理的关键切入点。值得注意的是，LLPS不仅是一种基本的细胞内分子组织机制，还为构建新一代生物启发式药物递送系统提供了新途径。传统药物载体存在结构刚性、环境适应性差和释放控制不精确等局限性，而通过LLPS形成的生物分子凝聚体具有亚稳态特性、组分重构能力和微环境响应性，从而构成了类似细胞内共组装的生物启发式平台。该平台不仅具有出色的药物富集能力，还能通过调节pH值、氧化还原状态和酶促反应等微环境因素实现可控药物释放，克服了传统封装-释放模型的单向限制（图1）。

与传统固体或半固体载体相比，LLPS介导的液滴系统通过弱非共价相互作用自发组装，具有融合性和解聚性，并具备跨膜转运能力。这些类似液体的特性赋予系统卓越的动态适应性，增强了与细胞摄取机制的兼容性，降低了免疫原性和排斥风险。此外，LLPS本身能够实现多种组分的协同组织，实现多种治疗药物的共递送（包括小分子、蛋白质和核酸），并通过调节相分离界面实现精确的时空释放，为精准治疗复杂病理状况提供了多维度策略。

节选内容

液-液相分离

从生物物理化学的角度来看，生物大分子在生物体内的凝聚现象表现出典型的LLPS特征。当蛋白质、核酸等生物大分子达到临界浓度时，它们可以通过自由能最小化的多价相互作用网络自发或受调控地发生相分离，形成具有明确边界的亚细胞结构。

LLPS在病理学中的作用

LLPS是一种基本且进化保守的机制，驱动动态无膜凝聚体的形成，这些凝聚体是细胞内关键过程的基础。这些过程包括亚细胞区室的建立、基因表达的精确调控、信号转导和物质运输的促进以及细胞骨架网络的组织。这些生物分子凝聚体的形成和分解是可逆且高度有序的。

基于LLPS的药物递送系统

基于LLPS的疾病治疗策略可分为两种主要方法。第一种方法直接或间接针对并调控病理性的LLPS，有效破坏或调节与疾病相关的蛋白质的相分离行为。例如，在神经退行性疾病中，抑制m¹A修饰已被证明可以减少TDP-43的病理聚集[72]。

挑战与展望

LLPS为深入理解生物分子凝聚体提供了新视角。例如，凝聚体的形态和动态特性可作为评估疾病进展的新生物标志物；可以通过小分子或生物制剂调节凝聚体的热力学和动力学，以破坏有害凝聚体或稳定有益凝聚体。基于生物分子相分离原理的药物递送系统因其独特的物理化学特性而具有潜在优势。

CRediT作者贡献声明

陈朗：撰写——初稿。庄卓平：撰写——初稿。范友翔：撰写——初稿。姜晨：撰写——审稿与编辑。孙涛：撰写——审稿与编辑。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2024YFA1210200）、国家自然科学基金（82473853、82361148716）、上海科技创新行动计划-国际科技合作项目（24430710700）、上海市重大科技项目（资助编号2018SHZDZX01）以及ZJLab的支持。