《Materials Today Bio》：Polysaccharide-functionalized gold, silver, and iron oxide nanoparticles for siRNA delivery: The role of artificial intelligence in design and optimization
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这篇综述聚焦多糖功能化的金、银、氧化铁纳米颗粒作为siRNA递送载体。文章系统阐释了其增强生物相容性、靶向能力与siRNA保护的作用机制，并重点探讨了人工智能（AI）与机器学习（ML）在优化纳米颗粒稳定性、载荷效率与靶向精度方面的前沿应用，为癌症纳米医学的下一代疗法提供了跨学科视角。
多糖功能化的金、银、氧化铁纳米颗粒已成为癌症纳米医学中极具前景的siRNA递送载体。通过天然多糖如壳聚糖、透明质酸、葡聚糖和藻酸盐进行功能化，能够显著增强这些金属纳米颗粒的生物相容性、靶向能力和治疗效能。这种功能化策略不仅稳定了纳米颗粒，防止其聚集，还赋予了受体介导的胞吞能力，并改善了siRNA的细胞内递送效率。
1. 引言
癌症以机体特定区域细胞的失控性增殖为特征，具有侵袭其他器官和组织并最终导致死亡的能力。小干扰RNA因其能够以高序列特异性沉默基因而备受关注，但其临床转化面临稳定性差、易被核酸酶降解、细胞膜穿透困难及内涵体逃逸效率低等诸多挑战。基于纳米技术的递送系统，特别是金属纳米颗粒，为克服这些障碍提供了有力工具。金、银和氧化铁纳米颗粒因其独特的理化性质、易于表面修饰和固有的治疗活性而成为有吸引力的递送平台。然而，裸露的金属纳米颗粒存在固有毒性、易聚集和生物相容性差等问题，因此需要创新的表面工程策略。多糖功能化代表了一种下一代策略，利用多糖的生物相容性、可生物降解性和功能多样性来克服纳米颗粒介导的siRNA递送的生物学屏障。尽管前景广阔，但多糖功能化金属纳米载体的系统优化，特别是在siRNA负载效率、细胞内运输和肿瘤微环境响应性方面，仍存在关键空白。现有综述往往缺乏对机制通路、不同金属纳米颗粒的比较评估以及人工智能驱动优化策略的整合性讨论。本文旨在通过提供一个全面、基于机制且人工智能增强的视角，来填补这些关键空白。
2. 多糖功能化金属纳米颗粒：机制、相互作用与生物医学应用
多糖功能化金属纳米颗粒代表了癌症纳米医学的一个前沿，提供了整合治疗递送、成像和诊断功能的多功能平台。多糖与金属核心的协同作用不仅增强了纳米颗粒的理化稳定性和生物相容性，还通过表面官能团促进了与生物靶点的特异性相互作用。在机制上，多糖既作为稳定剂也作为靶向剂，提供空间位阻防止纳米颗粒聚集，同时实现肿瘤细胞中受体介导的内吞作用。这些功能化纳米颗粒通过静电和配体-受体相互作用与细胞膜相互作用，改善内化和细胞内运输，最终增强siRNA等治疗性载荷的递送。多糖链上丰富的官能团允许进一步的化学修饰，从而能够调节药物释放曲线、增强内涵体逃逸并减少脱靶效应。
2.1. 金属纳米颗粒与癌症纳米医学
金纳米颗粒因其化学惰性、优异的生物相容性和表面等离子体共振特性而受到广泛关注，这使其能够实现高效的光热转换和光学成像。其高表面积体积比有利于siRNA等治疗剂的高效负载。银纳米颗粒具有新兴的抗癌潜力，其作用机制包括产生活性氧、破坏线粒体和诱导DNA损伤。然而，对其长期安全性和脱靶效应的担忧需要对其尺寸、表面涂层和剂量进行仔细控制。氧化铁纳米颗粒，特别是超顺磁性氧化铁纳米颗粒，具有独特的磁学性质，可实现磁共振成像、磁热疗和磁引导药物递送。它们的超顺磁性确保了快速的磁响应而无残留磁化，降低了体内的聚集风险。每种金属纳米颗粒在癌症纳米医学中都呈现出独特的优势和局限性。功能化策略的选择深刻影响着所得纳米载体的理化特性，如流体动力学尺寸、Zeta电位、胶体稳定性和表面化学，进而影响与生物系统的相互作用。
2.2. 用于siRNA递送的纳米颗粒功能化多糖
多糖作为多功能和生物相容性大分子，在金属纳米颗粒的功能化中展现出关键优势。其天然丰度、可生物降解性、低免疫原性和结构多样性使其能够应对siRNA递送的关键挑战。结构上，多糖提供了丰富的官能团，便于与金属纳米颗粒表面进行共价或非共价相互作用，从而实现稳定的涂层或结合。壳聚糖因其在生理pH下的固有阳离子性质而备受关注，这促进了与带负电的siRNA分子的静电相互作用，从而提高了负载效率并保护siRNA免受酶降解。葡聚糖是一种由葡萄糖单元组成的中性多糖，广泛用于涂覆氧化铁纳米颗粒，它提供了一个亲水外壳，可最大限度地减少纳米颗粒聚集，延长全身循环时间。透明质酸是一种带负电的多糖，通过CD44介导的内吞作用表现出主动的肿瘤归巢能力，改善了治疗化合物的位点特异性递送，同时减少了脱靶积累。其他多糖如藻酸盐、肝素、支链淀粉和琼脂糖也已被探索用于金属纳米颗粒的功能化。关键的是，多糖的选择不仅影响纳米颗粒的理化稳定性，还影响其生物学性能。因此，必须定制多糖选择和功能化策略，以优化保护、靶向和治疗物质的胞质递送效率之间的平衡。
2.3. 多糖包被金属纳米颗粒的功能化策略
金属纳米颗粒的多糖功能化是提高其癌症治疗性能的关键策略。各种化学和物理方法被用来实现功能化。共价键合方法，如碳二亚胺介导的酰胺形成或硫醇-金键连接，通常用于将多糖链稳定地连接到纳米颗粒表面。非共价策略，包括静电吸附、氢键和疏水相互作用，提供了简便的功能化途径，但在体内的稳定性可能较弱。将反应性官能团引入多糖主链扩展了其在纳米颗粒功能化中的多功能性。靶向配体结合代表了另一种关键的功能化策略，通过将叶酸、肽、抗体或适体偶联到多糖壳上，可以实现对癌细胞上过表达受体的主动靶向。刺激响应功能化是一种新兴策略，可在多糖涂层中掺入pH敏感连接子、氧化还原敏感的二硫键、酶可裂解基序或光热剂，从而在酸性、还原性或酶活性肿瘤微环境中实现控制释放。多层功能化方法，如层层自组装，为微调纳米颗粒特性提供了额外的机会。重要的是，功能化策略的选择深刻地影响了纳米载体的物理化学特性，进而影响了生物相互作用。
3. 多糖功能化金属纳米颗粒在siRNA递送中的应用
siRNA作为一种高效的工具，能够以高精度沉默驱动肿瘤生长、转移、耐药性和抗凋亡过程的基因，在癌症治疗中展现出巨大前景。然而，其临床应用受到生物体液中的不稳定性、快速清除、非特异性摄取以及低效的细胞内存作用和内涵体释放的限制。金属纳米颗粒作为稳健的核心被探索，当这些金属纳米颗粒用壳聚糖、透明质酸、葡聚糖或其衍生物等功能化时，所得杂化系统结合了生物相容性、增强的胶体稳定性、实现靶向递送的能力，同时促进siRNA的控制释放。
3.1. 纳米材料特性与siRNA递送
纳米颗粒的特性，如形状、尺寸、刚性、质地、电荷、表面官能团和亲脂/亲水特性，会影响细胞摄取的具体途径。例如，尺寸在10-50纳米范围内的纳米颗粒被发现具有最佳的细胞摄取效率。球形纳米颗粒比非对称纳米颗粒显示出更高的细胞内化效率。表面电荷在纳米颗粒的细胞内在化中起着重要作用，由于细胞膜含有阴离子磷脂，带正电的纳米颗粒比中性和带负电的纳米颗粒能更有效地与细胞膜相互作用。被内涵体囊泡捕获的纳米颗粒会经历溶酶体降解或非生产性胞吐作用，这阻碍了siRNA的递送及其治疗潜力。因此，用于siRNA递送的载体应能对抗内涵体屏障，将siRNA释放到细胞质中。内体溶解剂可以通过各种机制破坏内涵体膜，包括pH变化、结构变化和孔形成。阳离子聚合物如聚乙烯亚胺可减少内涵体膜的完整性并刺激膜孔的形成。这些可以与多糖结合使用，以在提供内涵体逃逸功能的同时，提高siRNA的负载能力。刺激响应性多糖，如壳聚糖的pH敏感性，使得siRNA能够在内涵体或肿瘤组织等酸性环境中释放，而透明质酸可以在许多癌症中过度表达的透明质酸酶存在下降解。这些策略可以通过保护siRNA免受酶和酸性pH的影响，然后以可控的方式释放它们，来增强siRNA的治疗性能。
3.2. 利用多糖功能化金属纳米颗粒进行siRNA递送
研究表明，多糖包被或结合的金属纳米颗粒可以显著提高体外和体内的基因沉默效率，降低脱靶毒性，并允许siRNA与化疗或光热剂共同递送。例如，用二异丙基乙胺和硫醇基团接枝的壳聚糖聚合物功能化在金纳米颗粒表面，然后负载siRNA分子，显示出高负载能力、pH响应性、高细胞摄取和良好的基因敲低能力。从石榴果皮中提取的多糖PSP001与金纳米颗粒结合，用于化疗药物阿霉素和基因HER2 siRNA的共递送，该体系显示出pH敏感的释放和显著的抗癌活性。金纳米颗粒、透明质酸和聚乙烯亚胺的组合被用于生产具有多模式治疗能力的靶向纳米药物递送系统。基质金属蛋白酶-2敏感肽连接的金纳米棒功能化壳聚糖聚合物用于递送热休克蛋白70沉默RNA，该复合物通过基因治疗和光热治疗的联合作用诱导细胞毒性效应。叶酸功能化的、负载超顺磁性氧化铁并复合siRNA的磁性阳离子直链淀粉纳米颗粒可有效压缩siRNA形成稳定的纳米颗粒，同时显示出高转染效率。由壳聚糖、聚己内酯和聚乙二醇-透明质酸组合的氧化铁纳米颗粒用于生产用于靶向递送治疗化合物的纳米胶囊。肿瘤微环境在癌症发展、生长和转移中起着关键作用。多糖功能化金属纳米颗粒可通过靶向癌症相关成纤维细胞、重编程肿瘤相关巨噬细胞和调节免疫检查点来重塑肿瘤微环境。例如，负载缺氧诱导因子-1α siRNA的壳聚糖-透明质酸纳米颗粒可以有效敲低缺氧诱导因子-1α基因表达，并克服胰腺癌中缺氧驱动的治疗抵抗。负载Wnt16 siRNA的脂质体-透明质酸-鱼精蛋白纳米颗粒可显著敲低Wnt16，从而防止癌细胞的生长和侵袭。由透明质酸、硫醇化壳聚糖、HIV-1衍生的TAT肽和三甲基壳聚糖制备的靶向纳米颗粒用于递送针对PD-L1和STAT3的两种siRNA，该纳米系统显示出显著的黑色素瘤生长抑制作用。
4. AI驱动的多糖功能化金属纳米颗粒用于siRNA递送的设计与优化
将人工智能集成到多糖功能化金属纳米颗粒的设计和开发中，为改进癌症纳米医学中的siRNA递送提供了一种变革性方法。人工智能能够通过系统地探索控制纳米载体功效和安全性的高维理化参数空间，进行预测建模和数据驱动的优化。在用于siRNA递送的多糖功能化金属纳米颗粒设计中，AI驱动设计对于管理金属核心特性、多糖化学和siRNA缩合效率之间复杂的相互依赖关系尤其有价值。人工智能工具，如遗传算法和深度神经网络，用于优化金、银、氧化铁纳米颗粒与靶向配体、聚乙二醇化和pH响应涂层的功能化策略。这些模型模拟siRNA和多糖涂层之间的相互作用，以确保在不损害纳米颗粒完整性的情况下进行有效的静电或共价封装。人工智能进一步帮助选择或设计可生物降解的连接子和刺激响应基团，以增强对肿瘤微环境的响应性siRNA释放或内涵体逃逸。通过迭代学习，这些模型可以根据实验数据进行调整，不断改进设计结果，减少对试错实验的依赖。对于多糖功能化金属纳米颗粒，胶体稳定性和生物相容性受到多糖分子量、取代度和表面异质性的强烈影响，这使得在没有基于AI的预测模型的情况下，经验优化效率低下。通过在包含理化特性、Zeta电位、流体动力学直径和涂层厚度的数据库上训练机器学习模型，研究人员可以预测纳米颗粒在生理环境中的聚集行为、调理作用和免疫识别。人工智能模型可以评估不同多糖涂层在减少蛋白质吸附、延长循环半衰期和最小化免疫原性方面的有效性。此外，人工智能驱动的药代动力学建模可以预测纳米颗粒的生物分布、肿瘤积累和清除途径，从而指导体内给药方案的设计。将人工智能与机械模型或多尺度模拟相结合，可以更深入地了解纳米颗粒-细胞相互作用和细胞内运输动力学。最终，人工智能和机器学习在优化多糖功能化金属纳米颗粒用于siRNA递送方面的整合，代表着向更理性、高效和个性化的癌症纳米医学发展的范式转变。通过利用数据驱动和物理信息模型的力量，研究人员可以加速智能纳米载体的设计，这些载体具有最佳的疗效、安全性和临床转化潜力。
