《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Advances in nanomaterial-mediated CRISPR/Cas delivery: from lipid nanoparticles to vesicle-derived systems
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这篇综述系统梳理了纳米材料作为基因编辑工具递送载体的最新进展，重点比较了脂质纳米粒(LNP)、聚合物纳米粒、外泌体等载体在保护CRISPR/Cas系统、提升靶向性和编辑效率方面的优势。文章详细分析了表面修饰（如PEG化、配体偶联）对生物分布和免疫应答的影响，并指出可电离脂质纳米粒在临床转化中的领先地位。同时探讨了体内编辑的伦理监管挑战及纳米-生物相互作用研究方法，为精准基因治疗提供了重要参考。
纳米材料介导的CRISPR/Cas递送前沿进展
引言
基因与基因组编辑疗法正日益与纳米材料紧密结合，这些材料能够安全精准地护送脆弱的核酸及CRISPR/Cas系统穿越生物屏障。纳米材料凭借其可调控的尺寸、表面电荷和优异生物相容性，显著提升了基因治疗的精确性、效率及安全性，为遗传疾病和肿瘤治疗开辟了新途径。
纳米材料的特性与功能
纳米材料的表面功能化是实现靶向递送的关键。通过修饰特异性配体（如靶向转铁蛋白受体的配体），纳米颗粒可精准识别细胞表面过表达的受体，从而提升细胞摄取效率并降低脱靶效应。例如，中性或略带负电的表面能减少血液中非特异性蛋白吸附，延长循环时间。此外，材料降解稳定性也是重要考量——脂质或聚合物载体可有效保护核酸免遭酶降解，确保其完整抵达靶细胞。
在跨越生理屏障方面，纳米材料展现出独特优势。针对血脑屏障(BBB)的挑战，表面修饰靶向配体（如结合BBB内皮细胞受体的肽段）的纳米颗粒可通过转胞吞作用进入脑组织，为中枢神经系统疾病治疗提供可能。研究还开发了多种抗菌纳米复合材料，如基于红酵母多糖的Ni/Zn纳米复合物、Ulva fasciata提取物合成的Ag/ZnO纳米复合物等，它们通过破坏细菌膜结构或诱导活性氧(ROS)产生发挥抗菌作用，同时表现出良好生物相容性。
基因治疗技术的进阶
纳米材料通过封装治疗性基因并控制释放动力学，显著优化了治疗效果。脂质纳米粒(LNP)作为典型代表，其磷脂双分子层结构可同时负载亲水性和疏水性药物，并通过表面偶联抗体实现肿瘤细胞特异性靶向。在杜氏肌营养不良症(DMD)模型中，聚合物纳米粒携带肌营养不良蛋白基因成功恢复基因表达；而经纳米材料包被的腺相关病毒(AAV)载体则显著提升视网膜基因治疗的稳定性。
在精准基因组编辑领域，CRISPR/Cas系统依托纳米载体实现高效递送。金纳米粒、介孔二氧化硅纳米粒等功能化材料能保护Cas9酶活性，并通过光热或磁响应调控释放时机。例如，碳纳米管携带引导RNA编辑HPRT1基因纠正小鼠遗传缺陷；磁性纳米粒在外磁场引导下对斑马鱼特定组织实现空间可控编辑。此外，新型编辑工具如锌指核酸酶(ZFN)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)因其设计复杂性，应用灵活性不及CRISPR技术。
纳米递送系统的多元化策略
脂质体与藻酸盐作为两类典型载体，各有千秋：脂质体具备高度可功能化特点，可通过配体修饰实现主动靶向，但成本较高且体内稳定性欠佳；藻酸盐作为天然多糖，价格低廉且生理环境下稳定，更适用于胃肠道定位释放系统，但主要负载亲水性药物。
聚合物纳米粒（如壳聚糖载体）凭借其生物可降解性和缓释特性，在眼病治疗中前景广阔。而外泌体作为内源性囊泡，具有天然低免疫原性和组织趋向性，已被用于干细胞β-珠蛋白基因编辑以治疗镰状细胞病。刺激响应型纳米系统（如pH敏感型聚合物）能根据微环境变化智能释放载荷，进一步提升编辑时空精度。
RNA干扰技术的纳米化赋能
纳米材料通过稳定封装小干扰RNA(siRNA)分子，有效解决其易降解、细胞摄取率低等瓶颈。脂质纳米粒(LNP)通过复合化加载方式实现高效基因沉默；树枝状聚合物可调控尺寸以优化递送效率；而外泌体则凭借天然归巢能力实现细胞特异性递送。这些载体通过增强渗透滞留(EPR)效应在肿瘤部位富集，同时表面电荷修饰可调节与免疫细胞相互作用，从而平衡疗效与安全性。
临床转化与监管挑战
目前多项纳米基因疗法已进入临床试验阶段：PEI基纳米粒（如BC-819/PEI）用于膀胱癌局部治疗（Ⅱ期）；脂质纳米粒TKM-080301经动脉灌注治疗肝转移瘤（Ⅰ/Ⅱ期）；PLGA载体DOTAP-Chol-fus1通过静脉注射治疗肺癌（Ⅰ期）。然而，尚无纳米基因药物获FDA批准，凸显出毒性评估、长期稳定性及免疫原性控制等挑战。
伦理与监管框架需同步完善。监管机构要求详尽提交材料理化特性、毒性数据及生产工艺信息；针对纳米载体的免疫毒性（如细胞因子释放综合征风险）需通过PEG化等 stealth 技术规避。国际协作成为必然趋势——通过建立统一纳米材料定义数据库、开展跨区域临床监测，推动精准基因治疗安全落地。
未来展望
智能材料（如光热响应型聚合物）与多功能纳米平台（整合诊断与治疗功能）将成为下一代载体研发重点。结合人工智能优化设计参数，以及口服递送系统的突破，有望进一步突破生物屏障限制。随着制造工艺标准化和个体化纳米疗法的发展，基因编辑技术将在农业育种、传染病防治及肿瘤免疫治疗等领域持续释放变革性潜力。
