2024年9月19日，中国科学院上海药物研究所甘勇研究员、俞淼荣副研究员与浙江大学胡国庆教授合作团队在Nature Nanotechnology期刊上发表了一篇题为“Direct Cytosolic Delivery of siRNA via Cell Membrane Fusion Using Cholesterol-Enriched Exosomes”的研究论文。

该研究结合理论建模和实验研究深入揭示了胆固醇在调控外泌体递释RNA药物中的关键作用及其背后的机制，并基于此开发出高效的工程化外泌体RNA递释系统，为基因治疗提供了一种安全高效的创新递释策略。论文通讯作者是甘勇、胡国庆、俞淼荣；第一作者是卓岩、骆珍。

RNA干扰（RNAi）技术近年来因其在基因表达调控领域的巨大潜力，逐渐成为治疗遗传性疾病和癌症等重大疾病的前沿技术。然而，RNA的递释效率及其安全性一直是其临床应用中的关键难题。虽然已有如N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）和脂质纳米颗粒（LNP）等RNA递释系统在临床使用，但它们在细胞内溶酶体的逃逸效率仍然较低（仅为1-4%），限制了其疗效。

外泌体，作为天然的纳米级细胞外囊泡，因其出色的生物相容性、稳定性、长效的体内循环时间以及精准的组织靶向能力，逐渐成为优化RNA递释的研究热点。然而，天然外泌体进入细胞主要依赖内吞作用，导致RNA分子易在溶酶体中被迅速降解，从而限制了其递释效率。

为克服这一难题，研究团队创新性地采用外泌体工程化可控修饰策略，定量化调控了不同种类外泌体中胆固醇的含量（如牛奶外泌体、生姜外泌体、肿瘤细胞来源的外泌体等），并利用透射电子显微镜等技术对其进行了全面表征。研究结果表明，外泌体膜中胆固醇含量的增加显著增强了其与靶细胞膜的相互作用，促使外泌体通过膜融合而非内吞途径进入细胞，大幅降低了溶酶体降解的限制。分子模拟研究同时揭示，富含胆固醇的外泌体具有更强的膜变形能力，能扩大其与细胞膜的接触面积，从而通过膜融合机制将siRNA直接高效递送至细胞质内。

在体外实验中，富含30%胆固醇的牛奶外泌体（30% Chol/MEs）成功递送了PLK1 siRNA，显著下调了PLK1 mRNA和蛋白表达水平，诱导了肿瘤细胞凋亡，其效果明显优于传统的转染试剂Lipo 2000和RNAiMAX。体内实验进一步证实，30% Chol/MEs/siPLK1通过口服或静脉注射方式，在小鼠结直肠肿瘤模型中均能有效抑制肿瘤生长，展示了其作为基因治疗载体的良好潜力。

图1：胆固醇含量对外泌体-细胞膜相互作用的GCMD模拟。

图2：不同胆固醇含量外泌体的表征。

图3：胆固醇水平影响外泌体内化途径。

图4：荷载PLK1 siRNA的外泌体体外抑制HCT116细胞生长。

图5：荷载PLK1 siRNA的外泌体抑制皮下移植瘤生长。

图6：荷载PLK1 siRNA的外泌体抑制原位HCT116结直肠肿瘤生长。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01785-0