神奇的生物合成气囊
气囊（gas vesicles, GVs），是一种可基因编码充气的独特蛋白质纳米结构，光合成细菌或者古生菌可利用其实现细胞浮力。气囊由两亲性的蛋白质壳层构成，宽约45-250纳米、长约100-600纳米。由于气囊中存在疏水表面，气囊只允许气体渗透并将液体水排除在外。近年来的研究发现，具有充气内层的气囊可作为高频诊断超声、磁共振成像等技术的造影剂，也可用于对基因表达进行非侵入性成像。基于以上的研究，人们进一步想到，气囊及表达气囊的细胞或许有望作为治疗药剂应用疾病治疗。
（电子显微图像展示了细胞中的气囊结构，图片来源：Ann. Rev. Plant Physiol. 1975. 26: 427-39）
“空气爆炸”治疗肿瘤
为了推进气囊的生物医学应用，加州理工学院的Mikhail G. Shapiro团队设计构建了气囊结构，可通过超声诱导的惯性空化（inertial cavitation）作用将强效机械作用递送到体内特定部位实现治疗。作者发现低频超声可以将这些生物大分子物质转变成微米级的空化气泡，释放强大的局部机械作用。这一现象不仅可使气囊作为远程控制的细胞杀伤和组织破坏药剂进行使用，还可以构建可表达气囊的细胞基递送体系，通过超声触发胞内药物释放并杀伤肿瘤。相关工作以“Acoustically triggered mechanotherapy using genetically encoded gas vesicles”为题发表在Nature Nanotechnology。
一、气囊可作为种子以形成气泡和用于空化
气囊在超过一定阈值的外加声压下会崩塌并将内部的空气释放到周围介质中，这些气体会形成纳米尺度气泡，随后在几毫秒时间内溶解。基于这一现象，研究发现在频率为亚兆赫兹的持续超声脉冲作用下，释放的纳米气泡可作为空化效应的种子。在这一空化过程中，气泡在声波的正负相中会分别表现出收缩和扩大的行为，也可以通过合并来进行生长。研究发现这些过程在低频和高负压条件下更容易进行，因此研究利用低频超声脉冲打开气囊、以纳米气泡的形式释放内部气体，从而驱动空化。随后，在惯性空化过程中，足够高的振幅能够使这些气泡迅速生长并急剧崩塌（内爆），释放强大的机械作用。（图1）。
图1气囊作为种子可用于惯性空化
利用空化探测器进行探测可知，在0.2 MPa峰值负压声波作用过程中，可观察到来自气囊悬浮液的谐波信号。而当峰值压力上升到0.4 MPa或者更高时，则可以观察到代表惯性空化的宽带发射。与此同时，作为对照，在缓冲液或者蛋白溶液中并未观察到类似的信号变化。这一结果可以证实气囊可作为惯性空化的种子进行使用。
二、气囊可以作为声致动的细胞破坏剂
在证明了气囊可以为惯性空化进行物理成核作用后，作者进一步研究了这一机械作用的生物学应用价值。作者首先通过基因过程使气囊表达RGD多肽，该多肽可对肿瘤细胞表面过度表达的αVβ3整合素展现出亲和性，从而使气囊可靶向肿瘤细胞。当气囊贴附到肿瘤细胞上时，作者成功观察到了气泡形成和空化作用。因此，这类气囊可作为靶向、声触发机械“子弹头”用于破坏细胞（图2）。
不仅如此，作者构建了一种含有气囊编码基因和发光蛋白质（作为模型负载物）基因的新型操纵子（operon）。该操作子被移植到沙门细菌中后，研究发现被移植的细胞可以产生丰富的细胞质气囊。在超声脉冲的诱导下，这些细菌可发出高水平的宽带信号。此外，聚焦超声作用可致使高达42%的菌落形成单位减少，并在介质中发现高强度的生物发光现象。这些结果说明，气囊介导的声爆可造成细胞溶解，从而释放负载物。
图2分子靶向气囊可作为超声触发破坏剂对细胞造成损伤
三、气囊介导实现肿瘤机械疗法
大肠杆菌Nissle 1917（EcN）是一种已被批准使用的益生菌，在肿瘤治疗中具有广泛的应用。为了检验气囊介导的肿瘤治疗作用，作者构建了新型EcN，成功地在EcN中表达了气囊。该细菌被静脉注射进入模型小鼠体内，并在3天时间内浸润和定植肿瘤组织。经过超声成像可知，被表达气囊的细菌定植的肿瘤组织的超声成像信号显著加强。而随后在聚焦超声和免疫药物的共同作用下，小鼠的肿瘤生长得到了有效的抑制，这说明气囊发挥强效机械作用可大大增强免疫疗法的效力，最终能够抑制肿瘤的生长（图3）。
图3由具有肿瘤归巢能力的益生菌引发的肿瘤机械治疗
结论：在一工作阐释了气囊可作为基因可编码生物大分子核用于惯性空化，同时也能够结合靶向治疗、合成生物学、聚焦超声和气泡力学的独特优势。因此，基于气囊可以发展出一系列极具前景的生物医学应用。比如，可通过表面标志物靶向细胞的气囊能够作为超声诱导破坏剂损伤细胞膜，造成细胞死亡或者使得药物更容易进入目标细胞。再比如，可表达气囊的工程化细胞能够利用气囊作为细胞破坏剂，在超声作用下可促使细胞释放胞内药物以实现药物进入目标组织或者引发强效免疫治疗的目的。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00971-8
来源：高分子科学前沿
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