《Materials Today Bio》：Tailoring Virus-Inspired Nanoparticles for Advanced Drug and Gene Delivery
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病毒作为自然界进化出的基因递送系统，在克服生物屏障、靶向特定细胞和诱导强烈免疫应答方面展现出卓越的效率。受此启发，仿病毒纳米载体已成为增强药物和基因递送的一种有前景的策略。本综述详细探讨了病毒启发的纳米递送系统，特别强调了其结构和功能的仿生特性。我们首先关注天
病毒作为自然界进化出的基因递送系统，在克服生物屏障、靶向特定细胞和诱导强烈免疫应答方面展现出卓越的效率。受此启发，仿病毒纳米载体已成为增强药物和基因递送的一种有前景的策略。本综述详细探讨了病毒启发的纳米递送系统，特别强调了其结构和功能的仿生特性。我们首先关注天然的病毒递送平台，如病毒纳米颗粒（Viral Nanoparticles, VNPs）和病毒样颗粒（Virus-Like Particles, VLPs）。接着，我们讨论了模拟病毒形态和拓扑结构以克服体内多重生理屏障的仿生策略应用。特别地，我们审视了模拟病毒感染关键功能的生物启发策略，包括：克服生理屏障、细胞粘附与表面识别、膜融合与细胞内存作用、环境感知与内体逃逸、细胞内运输与细胞器靶向以及免疫调节。此外，我们强调了整合智能策略以优化递送效率的方法。最后，我们讨论了该领域当前面临的挑战和未来的机遇，旨在推动病毒启发的纳米医学迈向临床应用。
本论文主体部分系统性地阐述了病毒启发纳米递送系统（Nano-DDS）的设计、构建与应用，主要内容可总结如下：
1. 引言
引言部分阐述了病毒作为高效基因递送系统的天然属性，并指出当前纳米药物递送系统（Nano-DDS）面临的挑战，如克服生物屏障能力有限、生物识别效率低、血流中清除快及临床效果不理想。为应对这些挑战，研究者转向从病毒的结构特征、生物学功能和感染机制中汲取灵感。病毒具有在有效递送货物的同时穿越生理屏障并靶向特定组织和细胞的天然能力，这使其成为药物和基因递送平台设计的潜在候选者。与主要关注材料优化、简单功能化及直接利用病毒形态或组分的传统综述不同，本综述以完整的病毒感染途径为独特视角，深入分析病毒启发的各种策略及其底层仿生机制，旨在推进具有临床转化潜力的先进药物和基因递送平台的发展。
2. 病毒的特征
本部分概述了病毒的基本结构与功能特性。病毒是尺寸在20-300纳米的纳米级生物实体，由蛋白质衣壳包裹的遗传核心（DNA或RNA）构成。其形态多样，包括球形、丝状、棒状和子弹状等，形态差异与其功能特性密切相关。病毒结构非常适合通过结合、入侵和释放的多步骤过程将货物高效递送至宿主细胞。衣壳是动态结构，在病毒生命周期中发生构象变化，介导与宿主细胞受体的结合并启动膜融合。病毒感染过程包括与宿主细胞表面受体结合、通过内吞或直接融合进入、释放病毒基因组进行复制等关键步骤。此外，病毒衣壳具有高度免疫原性，可刺激免疫系统。鉴于其结构和生物学特征，病毒在生物医学领域具有巨大应用潜力，例如在细胞工程、基因操作以及溶瘤病毒疗法中。从病毒递送RNA等货物的天然功能及其高效穿透人体屏障的能力中获得启发，研究人员越来越多地采用病毒启发策略来构建更高效、靶向性更强、功能更丰富的治疗平台。
3. 基于病毒的纳米药物递送系统（Virus-based Nano-DDS）
3.1. 病毒纳米颗粒与病毒样颗粒的特征
病毒纳米颗粒（VNPs）包括从哺乳动物病毒、植物病毒和噬菌体衍生的天然蛋白质纳米结构，可具有感染性或非感染性。病毒样颗粒（VLPs）是VNPs的非基因组变体，由各种病毒结构蛋白自组装而成的高度有序、重复的纳米结构，保留了病毒的空壳和结构特征，但缺乏感染或复制能力，且能在无感染风险的情况下诱导强烈的免疫应答。VNPs和VLPs是自然界产生的高度进化且用途广泛的纳米材料，其基本架构可通过基因工程和化学修饰技术进行“编程”。它们的内腔可携带药物、成像试剂、量子点或其他纳米颗粒，外表面可功能化靶向配体以实现细胞特异性递送，使其成为诊断、癌症治疗、基因治疗、免疫治疗、疫苗、成像和治疗诊断学等医学应用的理想候选者。
3.2. 病毒纳米颗粒在基因治疗中的应用
病毒因其高效进入细胞并递送遗传物质的能力，常被视为天然的“基因治疗师”。重新利用VNPs进行人类基因治疗利用了其形态均一、细胞进入效率高、生物相容性好、水溶性好和易于功能化等优点。腺病毒、逆转录病毒、慢病毒和腺相关病毒（AAV）等VNPs已被设计并用作基因递送的载体。逆转录病毒通过DNA中间体复制，为体外基因转移应用提供了绝佳选择，可整合到宿主DNA中，确保在分裂细胞中长期基因表达。腺病毒是具有双链DNA的无包膜病毒，可在多种细胞中介导瞬时基因表达，具有纯化简单和转基因容量大的特点。AAV是无包膜的单链DNA病毒，与逆转录病毒相比具有高稳定性、高效率、可扩展生产和较低的免疫原性，是基因递送的首选载体。慢病毒载体能够将大基因片段递送到增殖和非增殖细胞中，实现持续的基因表达并稳定整合到宿主基因组中。然而，每个平台都有其固有的局限性，例如逆转录病毒载体滴度低、不稳定、体外转染效率低；腺病毒载体因其高免疫原性可能引发强烈的免疫反应；AAV载体成本高、生产工艺复杂、包装容量有限；慢病毒载体在整合到宿主基因组后可能诱发脱靶突变和致癌风险。
3.3. 病毒样颗粒在免疫治疗中的应用
免疫治疗，特别是癌症免疫治疗，利用治疗性疫苗来调节免疫系统。VLPs凭借其固有的免疫刺激特性，是癌症免疫治疗中有前途的工具。与化学合成的纳米载体相比，VLPs具有尺寸、重复表面结构、刺激先天和适应性免疫的能力等优势。它们也更安全，因为不能复制，并具有良好的生物相容性和临床转化潜力。例如，基于P22噬菌体的VLPs已被用于携带卵清蛋白的B细胞和T细胞表位，在癌症模型中显著增强免疫反应。将噬菌体Qβ与GD2替代抗原9-NHAc-GD2结合，可增强抗体反应，显示了VLPs作为抗癌疫苗载体的前景。另外，通过改造诺如病毒S结构域与SpyCatcher003融合，开发了通用模块化VLP纳米载体平台，当用肿瘤抗原功能化时，这些VLPs可有效促进树突状细胞成熟、迁移至淋巴结并在小鼠体内引发肿瘤特异性T细胞反应，重塑肿瘤微环境并抑制肿瘤生长。
3.4. 功能化病毒纳米颗粒与病毒样颗粒的进展
VNPs和VLPs功能化的最新进展提高了其递送能力。诊断和治疗剂可以被封装到核心中，或通过化学或物理方法修饰在蛋白质外壳的内外表面。此外，VNPs和VLPs可以与靶向配体结合以实现组织特异性递送。例如，基于乙型肝炎核心蛋白（HBc）的自组装VLPs能够在不进行化学修饰的情况下封装阿霉素（DOX），通过与过表达的整合素αvβ3相互作用选择性靶向癌细胞，并在荷瘤小鼠中表现出强大的肿瘤生长抑制作用和降低的心脏毒性。货物封装通常涉及在极端pH、温度或变性条件下将VLPs分解成亚基，然后在复性条件下与货物一起重新组装。这些颗粒具有结构明确、靶向入侵、高效的细胞内运输和激活先天免疫系统等独特优势。热敏VLPs代表了一种新颖的装载策略。例如，利用HBc VLPs装载疏水性近红外染料IR780，依靠其在高达90°C的温度下的稳定性。封装过程依赖于蛋白质亚基在变性温度下潜在通道的打开，从而促进药物穿过外壳进入内腔，同时保持VLPs的结构完整性。
4. 利用病毒组分进行器官靶向的纳米药物递送系统
病毒表面配体对于病毒进入宿主细胞至关重要。通过在Nano-DDS设计中加入这些配体，研究人员增强了靶向特异性并突破了生物屏障，提高了药物和基因递送的效率。
4.1. 狂犬病毒糖蛋白
克服血脑屏障（BBB）是脑部药物递送的一个重大挑战。一种有前景的方法是使用经过狂犬病毒糖蛋白（RVG）修饰的纳米颗粒，其通过受体介导的内吞作用促进BBB穿透。研究人员利用这一特性进行脑肿瘤治疗。例如，开发了涂有野生型狂犬病毒外膜组分的金属有机框架纳米载体MILB@LR用于脑靶向。RVG肽可以特异性靶向神经受体并有效穿越血脑屏障，显著提高药物向大脑的递送效率，在神经系统疾病的诊断和治疗中具有独特优势。除了癌症，RVG肽在癫痫、阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病中也显示出前景。目前，这项技术正朝着智能响应、多模式治疗诊断和长循环仿生载体的方向发展。然而，挑战仍然存在，包括肽降解、体内保留时间短、脱靶效应和制备重复性差，所有这些都需要进一步优化以推进临床转化。
4.2. 其他特异性肽段
病毒擅长在感染过程中克服组织嗜性障碍，这归因于它们在宿主体内对某些组织或细胞类型的优先定位和利用。这些由病毒特异性肽段驱动的病毒-宿主相互作用，在生物技术和生物医学应用中具有巨大潜力。例如，工程化的丝状噬菌体在其侧壁上展示RGD肽，可在中风诱导的病灶中再生脑组织。这些病毒纳米纤维涂覆在可注射丝蛋白微粒上，在体外促进了神经干细胞的粘附、增殖和神经元分化。当注射到大鼠中风腔中时，纳米纤维刺激了血管生成和神经发生，导致肢体运动功能恢复。此外，TGN是一种通过体内噬菌体展示筛选获得的12氨基酸肽，对大脑，特别是脑血管系统具有强亲和力。例如，构建了插入TGN的HBc纳米笼，以增强抗癫痫药物苯妥英向大脑的递送。该纳米笼表现出特异性脑靶向，在毛果芸香碱诱导的癫痫模型中将苯妥英的抗癫痫效率提高了约100倍。体内小鼠和体外人类神经三维皮质类器官研究均显示出高穿透能力，为治疗难治性癫痫和其他顽固性神经系统疾病提供了一种有前景的策略。
5. 结构仿生纳米药物递送系统
病毒代表了一类典型的生物分子组装体，其特征是纳米级尺寸和精确的三维结构，可执行明确的生物学功能。病毒独特的结构特征调节了它们与周围微环境的相互作用、对特定器官和细胞群的优先嗜性以及与宿主免疫系统的串扰。病毒主要由蛋白质衣壳和核酸核心组成，在细胞内递送过程中能以高特异性和准确性高效递送遗传物质。病毒的这些固有结构特性为Nano-DDS的合理设计提供了关键指导。通过模拟病毒颗粒的尺寸、形态、核壳结构和刺突表面形貌，研究人员可以极大地优化Nano-DDS的设计和生物性能。
5.1. 尺寸
病毒的一个主要特征是它们的纳米级尺寸，通常在20到300纳米之间。这个尺寸精确匹配了体内生物屏障的渗透阈值，使病毒能够避免被肾脏快速清除，同时最大限度地减少肝脏、脾脏等器官中单核吞噬细胞系统的非特异性吞噬。它还满足了肿瘤组织增强渗透和滞留效应（EPR）的粒径要求。通过模拟病毒的尺寸和形态，研究人员开发了具有改善的生物分布和选择性靶向能力的纳米载体。例如，超小病毒样纳米颗粒（<10 nm）模仿了小核糖核酸病毒等超小病毒的结构，虽然表现出优异的组织穿透能力，但半衰期极短，阻碍了有效的肿瘤蓄积。尺寸在10-50 nm之间的假病毒纳米载体与腺相关病毒等小病毒的天然尺寸一致，不仅可以避免快速的肾脏清除，还减少了单核吞噬细胞系统的非特异性吞噬，从而大大提高了血液循环稳定性。尺寸在50-200 nm之间的假病毒纳米载体是模拟腺病毒和疱疹病毒等常见病毒的最佳递送尺寸范围，是目前病毒模拟纳米药物递送系统最常用的粒径范围，适用于全身性肿瘤靶向递送。尺寸大于200 nm的大尺寸假病毒纳米载体模拟痘病毒等大病毒的结构，它们容易被肝脏和脾脏等单核吞噬细胞系统滞留和吞噬，导致循环时间缩短和全身递送效率低下。
5.2. 形态
病毒形态在生物分布和选择性靶向能力中扮演着独特的角色。例如，工程化的金纳米棒（AuNRs）模仿狂犬病毒的形态和表面糖蛋白特性。利用高纵横比棒状结构的形态优势，减少了载体与细胞膜之间的非特异性结合，同时增强了与神经元细胞表面受体的特异性相互作用，从而促进了神经元细胞的细胞摄取，并诱导了对近红外激光照射的热疗效应。一系列研究专注于模仿病毒的二十面体衣壳蛋白结构，以增强免疫系统对其识别和内化的能力。例如，设计了二十面体空心纳米颗粒来模拟病毒结构。病毒模拟结构和重复的表面表位赋予其固有的免疫原性，有效激活树突状细胞的成熟和抗原呈递，使其适用于肿瘤免疫治疗和复发预防。
5.3. 核壳结构
病毒的核壳结构在提高基因递送效率方面起着关键作用。病毒的蛋白质外壳具有独特的空间构象、表面电荷分布和仿生形态，使其能够有效抵御严酷的外部生理挑战。同时，中空的核心拥有充足的腔体体积和空间稳定性，使其能够通过静电结合、疏水相互作用和物理包封有效地封装遗传物质。例如，设计了一种多功能聚多巴胺掺杂的病毒样结构纳米颗粒（GNR@HPMO@PVMSN）以实现光声成像指导的化学/光热协同治疗。这种创新的“瓶中船”方法促进了金纳米棒核心在空腔内的合成，保留了病毒样介孔硅壳的粗糙表面特征，并在内部空间实现了高效的药物装载。这些发现强调了病毒模拟核壳结构对于构建多功能治疗平台不可或缺的价值，拓宽了其在诊疗一体化中的实际应用。
5.4. 刺突表面形貌
许多病毒的一个显著特征是它们的刺突表面形貌。这种粗糙、不均匀的表面拓扑增强了与生物膜的相互作用，促进了有效进入宿主细胞。在许多研究中，研究人员模拟了病毒表面的粗糙度和不规则性，赋予纳米颗粒附着于上皮细胞的能力。例如，通过连接带负电荷的二氧化硅壳颗粒（13 nm），开发了具有病毒样粗糙表面的棒状介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）。该设计旨在增强细胞摄取和递送效率，优于具有光滑表面的常规MSN。最近，通过单胶束外延生长策略，在表面形成径向排列的纳米管，模拟刺突蛋白，合成了病毒样MSNs。这些刺突结构纳米颗粒促进了细胞膜结合，显著改善了细胞摄取和瘤内渗透。引入刺突结构导致药物递送性能改善和生物相互作用增加，证实了病毒模拟物中拓扑特征对于增强粘附和细胞内化的重要性。采用类似的合成策略，构建了刺突状MSNs，并用金纳米壳部分覆盖纳米颗粒表面。该结构提供了更高的光热功效和更小的接触面积，并应用于治疗由多重耐药细菌引起的眼部感染。在上述例子中，具有刺突的纳米颗粒在细胞摄取和瘤内渗透方面显示出显著的改善。然而，尽管取得了这些进展，基于非MSN材料的病毒模拟纳米颗粒仍然相对稀缺，这主要是由于合成机制和技术方面的限制。例如，通过pH响应分解诱导自组装方法，成功合成了旨在模拟病毒结构并配备纳米刺突结构的壳聚糖-卟啉基纳米颗粒。开发了多级刺突金纳米药物递送系统，以实现精确的端到端靶向药物递送。刺突可诱导细胞膜发生可逆的、瞬时穿孔，克服内吞运输障碍，显著提高纳米载体的细胞摄取和细胞内蓄积效率。不规则刺突形态减少了网状内皮系统的非特异性清除，使纳米载体能够利用肿瘤组织的高渗透性和滞留性实现被动靶向和在肿瘤部位的蓄积。利用锰离子、砷基化疗成分和光热染料ICG的自组装，开发了具有有序多级刺突形态的纳米药物递送系统。利用相同的刺突形态概念，开发了CaP生物矿化病毒样刺突纳米疫苗。利用刺突的仿生拓扑结构，该疫苗在鼻内给药后实现了高效的鼻-脑靶向递送，并绕过了血脑屏障。病毒样刺突形态显著增强了在鼻粘膜中的粘附和滞留，提高了跨上皮转运效率，并通过嗅神经通路到达脑部病灶。
6. 功能仿生纳米药物递送系统
在病毒感染的初始阶段，它高效地穿越多个生物屏障进入宿主细胞，与特定的细胞表面受体连接，然后通过内吞作用或膜融合内化。从内体逃逸后，它经历多步生物转化，并响应细胞内微环境将其遗传物质释放到宿主细胞的细胞质或细胞核中。同时，免疫系统被激活以防御病毒入侵。病毒进化出利用细胞途径和机制进行复制和免疫逃逸的机制，使其能够在宿主体内持续存在和传播。同样，纳米颗粒可以被设计来模拟这些病毒策略，通过增强靶向性、细胞进入和克服屏障来实现精确的治疗效果。
6.1. 克服生理屏障
体内药物递送面临几个复杂的生物和生化屏障，如血脑屏障、粘液层和上皮屏障。某些病毒获得了穿透生理屏障和避免免疫系统识别的独特方法，为设计先进的药物递送系统提供了宝贵的见解。如前所述，血脑屏障限制了约98%的小分子药物进入大脑，但某些病毒衍生的蛋白质，如RVG，可以促进受体介导的转胞吞作用，使纳米颗粒能够有效穿越血脑屏障。此外，通过模仿狂犬病毒的子弹状或棒状结构，纳米颗粒有潜力穿越血脑屏障并深入渗透到肿瘤组织中。在口服药物递送的情况下，粘液层和肠上皮是主要挑战。流感病毒等病毒具有亲水表面，结合了正电荷和负电荷，这有助于它们通过最小化静电相互作用来穿越粘液层。这种病毒特性已被整合到纳米颗粒中，以增强其穿透粘液和实现高效药物递送的能力。例如，制造了功能化的MSN，包含阳离子细胞穿透肽和阴离子戊二酸酐，减少了粘蛋白结合并增强了粘液渗透。受病毒形态启发，开发了具有病毒样纳米刺突的核壳MSN，并进一步用L-丙氨酸修饰以实现手性识别。其纳米刺突通过锚定在生物膜上并促进手性识别，增强了生物粘附、粘液穿透和跨膜转运。开发了多功能配体可切换纳米颗粒，模拟了病毒独特的表面特性，并复制了病毒与宿主生物体之间的相互作用。口服给药后，pH激活的可延伸细胞穿透肽在酸性条件下呈现延伸构象并从表面突出，以病毒样方式促进成功穿越肠道屏障，随后进入体循环。在呼吸道药物递送的情况下，流感病毒等病毒已进化到与粘液层中的粘蛋白相互作用，使其能够绕过粘膜屏障。开发了低分子量聚乙二醇（PEG）包覆的纳米溴己新脂质颗粒平台，用于高效肺部药物递送，表现出粘附特性，具有60%的粘蛋白结合效率和有效的粘液层渗透。该脂质颗粒系统通过PEG与粘蛋白的动态结合，模拟了病毒样受体结合和切割活性，从而促进了跨粘液的转运和细胞摄取。除了进入细胞的能力外，病毒还可以通过从一个细胞移动到另一个细胞来穿越组织。虽然人工细胞穿透肽已被开发用来模拟病毒转导域，用于纳米颗粒跨细胞屏障递送，但它们缺乏实现与病毒相当的组织水平渗透的能力。这一限制凸显了设计受病毒粒子启发的更有效渗透策略的潜力，以增强细胞进入和深层组织浸润。例如，开发了病毒样膜破坏纳米颗粒，实现了肿瘤触发的细胞和组织双重渗透。他们创建了由富含精氨酸的肽组成的树枝状前药，模拟病毒蛋白转导基序和球状蛋白质结构，这些前药自组装成具有高度有序二级结构的病毒样纳米颗粒。另一个例子是，合成了模拟病毒糖蛋白的肽，其包含II型胶原粘附基序和基质金属蛋白酶激活的细胞穿透肽序列。它模拟了病毒感染细胞的策略，使纳米药物递送系统能够主动靶向软骨基质，并在病变细胞的微环境中被特异性激活，使其成为治疗关节炎的高效工具。
6.2. 细胞粘附与表面识别
病毒入侵过程，特别是附着、识别和膜融合，极大地启发
