在蛋白治疗领域，通常采用相关递送技术将外源性的蛋白药物送至体内，以治疗因蛋白缺失或减少等引发的疾病以及组织缺损。在众多递送方式中，利用载体来实现体内药物的有效递送是最常用的手段之一，包括使用介孔二氧化硅、球霰石、羟基磷灰石、碳纳米管等载体。然而，这些载体在蛋白药物递送的过程中仍存在许多问题：药物递送系统往往需要较大的药物剂量和较长的半衰期；此外，递送过程中环境的变化对蛋白药物的活性也会产生影响。因此，如何保证蛋白药物有效地进入体内且其活性不受体内外环境严重影响是当前研究的重难点。
生物矿物材料由于其出色的生物相容性及可控的形貌特性，在蛋白药物载体领域被广泛关注，但较低的蛋白负载能力和有限的长期释放性能严重阻碍了其在蛋白药物载体领域的应用。在之前的大部分研究中，矿物与药物之间主要依靠物理吸附或化学结合进行连接。相比于这两种连接方式，天然生物矿物与可溶性蛋白之间的相互作用要复杂的多，其中可溶性蛋白质可以改变矿物的晶型、形貌并对矿物的成核过程进行调控。受生物矿化过程的启发，我们着重考虑了矿物质与蛋白药物之间的相互作用以解决上述问题。
近日，同济大学王佐林教授团队与中国科学技术大学俞书宏院士团队合作在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Drug Protein-Stabilized Biomimetic Amorphous Mineral Nanoparticles as Superior Drug Carriers”的文章（DOI：10.1002/adfm.202202928）。基于生物矿化的机制，文中通过以下方法来解决矿物的低蛋白药物负载能力等问题：由于蛋白质可以抑制矿物的结晶过程，该研究直接利用蛋白药物作为矿物的结晶抑制剂，在一定的矿化环境中稳定合成无定型的矿物材料。相比于结晶相，无定型矿物具有更高的表面能，能够吸引更多的蛋白。此外，由于无定型矿物没有特定的晶面，蛋白可以均匀分布于无定型矿物内而不受特定晶面的吸附限制。由于反应中没有添加其他用于稳定无定型的聚电解质，也避免了其他聚电解质对机体产生影响。对矿化环境进行调控后，研究人员在不添加其他有机物的条件下合成了可高效负载并释放蛋白药物的无定型纳米载体（ACCP）。由于蛋白药物在载体中分布均匀，ACCP纳米载体具有很高的蛋白负载能力（材料中细胞色素C的负载率高达31.5 wt%;牛血清白蛋白的负载率高达33.14 wt%；胰岛素样生长因子-1（IGF-1）的负载率高达32.33 wt%），并且可以实现蛋白药物的长期缓慢的释放。文章研究了负载IGF-1的ACCP纳米载体（m-IGF-1）在骨修复重建中的作用，证明蛋白药物的生物活性得到了良好保存，m-IGF-1在体内体外均显示出了良好的生物相容性和促进骨再生的能力。由于蛋白质含有丰富的官能团，许多蛋白药物均可以用于稳定无定型矿物。因此，这种直接利用蛋白药物对无定型矿物材料进行稳定的仿生矿化策略可以很容易地拓展到其他矿物材料或蛋白药物，可应用于各种生物医学领域。
图1 蛋白载体m-IGF-1的合成及体内释放蛋白药物过程的示意图。受仿生矿化的启发，蛋白质可以作为矿物的结晶抑制剂并与矿物之间产生相互作用，稳定矿物的无定型相。在生物环境中，载体逐渐发生分解，蛋白药物IGF-1被逐渐释放，进而促进新骨的形成。
图2 蛋白药物载体的形貌及蛋白分布情况。（A）负载细胞色素C的ACCP载体（m-CyC）；（B）负载牛血清白蛋白的ACCP载体（m-BSA）；（C）负载IGF-1的ACCP载体（m-IGF-1）。图I为扫描电镜图。比例尺：300 nm；图II，III，IV，和V为透射电镜图，钙离子、氮离子和复合的元素分布Mapping图。比例尺：50 nm。
图3 m-CyC的体外蛋白释放行为。（A）未经处理和经载体释放出的CyC的超高效液相色谱（UPLC）的结果。（B）未经处理和经载体释放的CyC的圆二色谱（CD）图。（C和D）在pH = 7.2时，不同蛋白浓度合成的m-CyC的累计蛋白释放浓度（C）和释放质量百分比（D）。（E和F）在不同pH下，m-CyC-1.0（蛋白浓度为1 mg/ml合成的m-CyC）的累计蛋白释放浓度（E）和释放质量百分比（F）。
图4 体外细胞实验验证m-IGF-1对前成骨细胞系MC3T3-E1的增殖及成骨分化能力的影响。（A和B）MC3T3-E1细胞与不同浓度的Control组（不含蛋白的矿物纳米颗粒，MNPs）和m-IGF-1组共培养1天（A）和3天（B）的增殖能力结果。*表示与0 μg/ml组比较，#表示与5 μg/ml的Control组比较。（C和D）MC3T3-E1在4组培养条件下的ALP染色（C）和ALP活性检测（D）的结果。（I）基础培养基；（II）成骨诱导培养基；（III）5 μg/ml的MNPs与成骨诱导培养基；（IV）5 μg/ml的m-IGF-1颗粒与成骨诱导培养基。（E和F）MC3T3-E1在4组培养条件下的茜素红S染色（E）和定量分析（F）结果。
图5 体内动物实验评估m-IGF-1对骨修复再生的影响。（A）不同处理30天后的大鼠颅骨缺损的Micro-CT图。比例尺：1 mm。（Blank组）未作处理；（Gelatin组）植入明胶海绵；（Control组）植入明胶海绵与MNPs；（m-IGF-1组）植入明胶海绵和m-IGF-1。
图6 LepR-td小鼠颅骨缺损模型中不同组的双光子显微镜图像及定量分析的结果。（A）双光子激发显微镜图像。蓝色虚线为骨骼和生物材料的边界；黄色虚线为纳米颗粒的边缘；红色表示LepR-td细胞；蓝色为I型胶原蛋白（Col 1）；绿色为FITC标记的IGF-1。（B，C，D和E）为生物材料区域对I型胶原蛋白（B和C）以及LepR-td细胞（D和E）的荧光强度和荧光面积的分析结果。
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