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“一个小小的纳米颗粒,能够具有多少可能性?”
2022年10月,从加州大学洛杉矶分校结束博士后工作的张越,正式加入澳门沙金游戏app,担任“感染与免疫调节实验室”负责人。从欧洲、到美洲、再到如今回国加入澳门沙金游戏app,张越从来没有停止对这个问题的思考。
这位90后PI的科研故事,要从一个“百变”的纳米粒说起。
纳米粒,可以是一个“伪装者”
在华中科技大学药学院读大三时,张越开启了她的科研之旅。
跟随导师张志平教授,张越第一次接触到了用纳米颗粒进行药物递送的相关研究。
首先,为什么要使用纳米粒?
纳米粒作为一种新型药物载体,有着它独特的优势。它能保护易被降解的药物,并能使药物从载体中缓慢地释放出来,降低给药频率,提高患者的顺应性。两亲性的纳米材料,还可以增加难溶药物的溶解度,使药物在体液中达到有效浓度。此外,对纳米载体的表面修饰,可使所载药物富集于患处,在提升疗效的同时,降低系统毒性。
然而,纳米粒在人体内的路,却“没那么好走”。因为,它会面对一个戒备森严的“卫兵”——人体的免疫系统。见到纳米粒这样一个陌生的外来物,免疫系统会不会把它识别成为异物,并且快速地将它清除掉呢?
因此,让纳米粒在具备良好生物相容性的基础上,去实现更强大的功能,正是张越一直想做的事情。
在加州大学圣地亚哥分校读博士期间,张越的导师张良方教授开创性地运用细胞膜仿生纳米技术来实现这一目标。当她们把人源的细胞膜提取出来,包裹于纳米粒的表面后,纳米粒的表面形貌和化学成分则与人的细胞膜相差无几。
将细胞膜包裹于纳米粒上的关键步骤[1]
有什么好处?
首先,当“伪装“成人类细胞的纳米粒进入人体时,免疫系统大概率会觉得它是“自己人”。这样,纳米粒便可躲避免疫系统的攻击。通过这个机制,人们可以有效延长药物在体内的作用时间,这个优势对于在人体内半衰期短的药物尤为重要。此外,细胞膜仿生纳米技术还有另一大特点,即可以将源细胞膜上的表面蛋白搬运至纳米药物载体表面,并保持原有蛋白的功能。由此,我们可以继续设想——如果想要纳米粒实现不同的功能,便可以选择具有不同表面蛋白种类的细胞膜去包裹纳米粒。比如,使用红细胞的细胞膜,可以让纳米粒实现在体内长循环;而使用血小板的细胞膜,则可以让纳米粒快速聚集在受损伤血管的内皮细胞的间隙,对血管内的病变部位进行靶向给药。
被赋予 “伪装”能力的纳米粒,在疾病治疗上,拥有着无限的潜力。
从应用,到基础
博士阶段,张越还在继续拓宽细胞膜仿生纳米技术的可能性。
她的研究聚焦在“抗毒力疗法”(anti-virulence therapy)上。
细菌通过合成一系列毒力因子来攻击宿主的免疫系统,例如可以造成细胞裂解的穿孔毒素(pore-forming toxin),可协助细菌粘附在组织表面的粘附素(adhesin),等等。
张越想:治疗细菌感染是否一定要抗生素?特别是在细菌耐药性日趋严重的大环境下,能否设计一种无抗生素的抗菌疗法?如能阻断细菌用以攻击免疫系统的毒力因子,能否依赖机体天然的抗菌机制来清除细菌感染?
于是,张越尝试了一种新的抗细菌感染的方法——阻断在细菌感染初期起到关键作用的毒力因子,进而阻断后续感染的扩散。
当时,她们关注的细菌是幽门螺旋杆菌,这是一种在我国平均感染率高达59%的胃内寄生菌,同时也是一种已知的与胃癌具有较高相关性的细菌。
这是一种很有趣的细菌。在幽门螺旋杆菌的菌体表面,有一种叫做黏附素(adhesin)的蛋白,能识别胃上皮细胞表面黏附素的受体。这种特异性的分子识别机制,可以让幽门螺旋杆菌粘附在胃上皮细胞表面。
只有粘上去的幽门螺旋杆菌才能在严酷的胃酸环境下活下来,不能粘上去的则被胃酸冲走,无法生存。
所以,粘附这一步至关重要。
张越及其团队设计的系统,就是把幽门螺旋杆菌的细菌外膜囊泡“穿”在纳米粒的表面,让纳米粒表面具有幽门螺旋杆菌的多种黏附素。这样,当人们把纳米粒注射到胃里时,纳米粒就能够通过其表面的黏附素,去占领胃上皮细胞表面的黏附素受体。
之后,当真的幽门螺旋杆菌进来时,就因没有可以结合的位点,无法粘附在胃上皮细胞表面,而被胃液冲刷走。这样一来,便可以在初期将感染清除。
张越她们设计的体系,为幽门螺旋杆菌的预防和治疗提供了一种全新的思路,同时也在技术转化层面拓展了细胞膜仿生技术的应用场景。
应用纳米粒阻断幽门螺旋杆菌粘附的原理示意图[2]
然而,充分拓宽了纳米粒应用外延的张越,在选择博士后阶段的研究时,却有意要跳出纳米的“圈子”。
张越说:“我希望自己的工作能够使纳米技术走入临床,真正服务于重大疾病的治疗。”而这样的突破,依赖于研究者对疾病病理机制的深入理解。
于是,博士后阶段,进入加州大学洛杉矶分校Gerard Wong教授课题组后,张越开始借助机器学习、晶体学和传统生物学的手段,理解免疫失调背后的分子机制,并发现新冠病毒在感染过程中可释放出大量多肽碎片,从而扰乱机体的正常免疫应答。
张越说,机器学习给了科研工作者一双眼睛,去发现庞大数据里面的规律。
在西湖,解锁更多可能
大四时,张越参与了国家留学基金委资助的优秀本科生交换计划,在德国的马尔堡大学药学院交换期间完成了本科毕业设计的工作。自那时起,再到博士和博士后阶段,张越一直在海外进行科学研究。
浸润过多元开放的文化环境,接受过高度成熟的科研训练,亲历过平等、包容的学术氛围……张越更加明确地知道自己的科研定位。
“澳门沙金游戏app基本是我在国内的第一选择,”张越说:“这样交叉、自由和充满包容的科研氛围,是培育创新思维的绝佳土壤。”
来到西湖之后,张越想做一些跨学科的研究。
大的主题是,如何理解微生物感染的病理机制,以及如何学习微生物入侵的机制服务于药物递送。
一方面,张越希望关注一个重要问题——为什么在有些病毒感染的情况下,被感染的宿主容易发展出自身免疫疾病?未来,张越的团队将会结合人工智能筛选可以与自身抗原形成免疫复合物的病毒碎片,并结合晶体学和传统免疫学的方法研究免疫复合物的生理效应。她希望自己的研究能够去解答这个谜团。
另一方面,回归到纳米药物递送领域,张越希望能够开发出更有效的基因药物递送手段。她在想:为什么病毒这个没有生命的“小机器人”,能够非常有效地把自己的遗传物质注入到被感染的细胞内呢?我们是不是能够学习病毒感染细胞的关键分子结构,将这类结构转移到纳米粒表面,从而使它服务于基因药物的胞内递送呢?
张越与她的课题组成员在云谷校区
(从左至右:科研助理胡宇达,博士生付涵,张越,科研助理赵赫然)
在西湖,张越还在发现更多学科交叉的可能性。比如,她期待着和澳门沙金人工智能方向的老师合作,探讨如何应用人工智能进一步解析蛋白质的功能;她也期待和生命科学学院蛋白质设计方向的老师合作,设计出可以更好服务于药物递送的蛋白受体。
“在学术圈,具有开创性的工作往往离不开跨领域学者之间开诚布公的沟通。”张越说。
她希望打造的课题组,是每个人的声音都能被听见,每个人的专长都能被重视,每个人的想法都有施展空间。目前的三位课题组研究成员,分别有着材料背景、分子生物学背景和医学背景。张越期待着在这里,大家能够始终坦诚和开放地交流各自的见解,共同成长和进步。
“在通过科研解答世界谜题的同时,如果我们能做出更多对人类健康有影响力的工作,并将它们转移到临床上,成为真正对患者有用的治疗手段,这会是对我们所做工作最大的褒奖。”张越说。
是科研工作者,是妈妈,是妻子,是龙猫饲养员,还是绘画爱好者……张越和她的纳米粒,今后还会在西湖继续解锁多少种身份?
关于未来和可能性的故事,总是未完待续。
张越的绘画作品
欢迎加入张越课题组
张越课题组拟长期开展生物医学工程、电子信息科学与技术、材料科学与工程,免疫生物学和免疫治疗等交叉学科的基础与应用基础研究。课题组现开放多个博士后,博士研究生以及科研助理岗位,欢迎相关领域的人才加盟。
联系方式:zhangyue59@westlake.edu.cn
References
[1] Hu, Che-Ming J., et al., Erythrocyte membrane-camouflaged polymeric nanoparticles as a biomimetic delivery platform. Proceeding of the National Academy of Sciences, 2011, 108 (27) 10980-10985.
[2] Zhang, Y., et al., Inhibition of pathogen adhesion by bacterial outer membrane‐coated nanoparticles, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58 (33), 11401-11408.
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