蛋白质纳米笼：用于治疗、生物成像和诊断的可编程生物材料平台

《Acta Biomaterialia》：Protein nanocages: Programmable biomaterial platforms for therapeutics, bioimaging, and diagnostics

摘要
蛋白质纳米笼是通过蛋白质亚基的对称自组装形成的单分散、中空结构。它们的基因编码架构结合了纳米级组装的几何精度以及天然进化蛋白质所具有的生物相容性和功能多样性。明确的内部空腔以及可工程化的内部和外部表面使得能够在单一的纳米级平台上对治疗性货物、分子识别元件和生物活性成分进行空间组织。在这篇综述中，我们研究了代表性蛋白质纳米笼的结构组织、自组装机制、物理化学性质和功能多样性，包括铁蛋白、丙酮酸脱氢酶E2核心、来自饥饿细胞的DNA结合蛋白（Dps）、小热休克蛋白（sHSPs）、封装蛋白和荧光素合成酶。我们讨论了它们的结构特征和组装行为如何决定其生物性能，并支持其在靶向药物递送、癌症免疫疗法、疫苗开发以及体内和体外诊断中的应用。除了描述各个具体平台之外，我们还建立了一个统一框架，将蛋白质纳米笼定位为可编程的分子组织者，并强调了五个可转移的设计原则：多价配体展示、空间分隔、受体引导的靶向、报告基因的组织和信号增强，以及刺激响应性的货物释放和功能激活。我们还探讨了在结构稳定性、免疫原性、可规模化制造和临床转化方面存在的持续挑战，同时介绍了蛋白质工程、合成生物学和计算蛋白质设计中的新兴机会。总体而言，这些原则确立了蛋白质纳米笼作为多功能生物材料平台的作用，能够在单一分子架构中集成传感、靶向、成像和治疗功能，为下一代精准医疗奠定了基础。

**意义声明**
传统综述通常单独讨论蛋白质纳米笼，掩盖了它们之间的共同结构特征以及设计策略在不同系统中的转移程度。这篇综述通过建立一个涵盖结构多样化的纳米笼的比较框架，并将其相似性提炼成一组通用设计原则，解决了这一问题。它将蛋白质纳米笼不仅仅视为被动的递送工具，而是视为能够以可控的空间排列和化学计量组织货物的可编程分子支架。这一框架为生物材料研究人员提供了可转移的基础，以设计用于精准医疗的蛋白质组装体，同时指出了在结构稳定性、免疫原性和可规模化制造方面必须解决的关键挑战，从而促进临床转化。

**引言**
纳米医学的进步扩大了用于药物递送、成像和诊断的纳米级平台的范围[1,2]。传统的纳米载体，包括脂质体、聚合物纳米颗粒、无机纳米材料和树状大分子，在提高药物溶解度、稳定性和药代动力学特性方面显示出巨大潜力[2,3]。然而，根据其组成和制造方法的不同，这些系统可能会表现出结构异质性、批次间变异性、对功能基团呈现的控制有限、毒性和不可预测的生物相互作用[4,5]。这些限制促使人们开发出结合结构精确性和生物相容性的递送平台。基于蛋白质的纳米笼作为解决这些挑战的有希望的生物分子平台应运而生[6,7]。天然来源的系统，如铁蛋白、封装蛋白、来自饥饿细胞的DNA结合蛋白（Dps）、小热休克蛋白（sHSPs）、丙酮酸脱氢酶E2核心和荧光素合成酶（LS），具有有序的纳米级结构，具有明确的尺寸、对称性和内部空腔[[7]、[8]、[9]]。它们的基因编码亚基使得可以在序列层面进行工程改造，以调节组装、稳定性和表面功能[10,11]。它们的生物相容性和生物降解性进一步支持了其在生物医学应用中的发展，尽管这些属性取决于蛋白质支架、其修饰方式以及生物学环境。因此，要实现它们的潜力，需要仔细选择和设计支架，考虑到免疫原性和应用特定要求[11]。蛋白质纳米笼的模块化架构为针对特定应用的工程提供了灵活的基础，允许独立修改其内部和外部表面[7]。内部空腔可以容纳多种货物，包括小分子药物、核酸、酶和成像剂，而外部表面可以通过添加靶向配体、抗体或隐身涂层来进行功能化，以调节生物分布和细胞摄取[6,12,13]。这种空间分离促进了在单一支架内整合货物封装和表面介导的功能。此外，特征明确的纳米笼的结构均匀性和亚基化学计量的确定性使得能够定量评估货物装载量，并提高配方的再现性，从而支持一致的治疗剂量和可靠的诊断测量[9]。在亚基层面，基因融合、化学偶联和模块化组装可以引入和展示多价功能基团，根据支架架构和修饰策略控制其价态和空间组织。这些方法还可以在不同结构和功能层面上引入或调节对环境的响应性。在某些铁蛋白系统中，pH变化可以诱导解体并随后重新组装，从而在适当的配方条件下恢复笼状结构并封装货物[[14]、[15]、[16]]。在递送过程中，环境信号可以通过壳层渗透性、表面保护和货物-载体连接机制来调节货物释放或功能激活。例如，蛋白水解可以去除保护层以暴露受体结合位点，或者改变壳层渗透性，而还原条件可以切割氧化还原敏感的货物连接[17]、[18]、[19]]。这些机制不一定需要完全解体笼状结构。将其应用于肿瘤或炎症组织时，需要使响应机制与预期的生物环境相匹配，并区分细胞外疾病相关信号与内溶酶体腔的酸性条件或细胞内空间的还原环境。因此，配方重组应与递送过程中的刺激引发的货物释放或功能激活区分开来。除了这些工程能力之外，蛋白质纳米笼还可以保留支持其生物医学应用的内在生物功能[11]。某些支架天然能与特定细胞受体相互作用，从而促进受体介导的摄取[20]。将这些支架依赖性属性与分子工程相结合，为开发适应性和诊断应用提供了基础。在药物递送中，纳米笼可以整合靶向功能和可控的货物释放，从而可能减少脱靶暴露。在体内成像中，它们可以封装或组织成像剂以促进信号生成，而靶向修饰可能提高在目标位置的定位。在体外诊断中，它们有序的表面支持多价分子识别和信号生成组分的空间组织，从而可能提高检测灵敏度和检测重复性。

这篇综述研究了代表性的天然存在的非病毒性蛋白质纳米笼支架及其工程衍生物在生物医学中的应用，重点关注铁蛋白、丙酮酸脱氢酶E2核心、来自饥饿细胞的DNA结合蛋白（Dps）、形成笼子的sHSPs、封装蛋白和LS。选择这些系统是因为它们形成了结构明确的、对称的寡聚壳层，并具有内部空腔，提供了货物封装或表面功能化的机会。讨论主要集中在这些蛋白质家族中形成笼子的成员及其组装变体，而由病毒结构蛋白组装的类似病毒颗粒（VLPs）不在主要讨论范围内。专门有一节讨论了计算设计的蛋白质纳米笼和功能模块，作为对天然支架工程的补充方法，同时还包括了缺乏明确笼子结构的基于蛋白质的载体，如白蛋白纳米颗粒，以进行对比。在此范围内，我们首先研究了纳米笼的结构、基本设计原则和工程策略，包括计算设计。然后按疾病类型和支架类型组织治疗应用，接着按评估环境分类成像和诊断应用：体内成像、体外组织诊断和体外基于细胞和血清学的检测。图1总结了纳米笼结构、工程策略和生物医学应用之间的关系。最后，我们讨论了与临床转化相关的挑战和新兴机会。这篇综述的主要贡献是建立了一个综合框架，将支架属性和工程选择与生物医学功能和报告结果联系起来，从而为选择和工程化蛋白质纳米笼以用于特定治疗和诊断应用提供了基础。

**数据可用性**
本文描述的研究没有使用任何数据。

**利益声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**未引用的参考文献**
[155]