摘要
表面修飾策略優(yōu)化納米羥基磷灰石（nHA）的基因轉(zhuǎn)染效率，探討其與細(xì)胞互作的分子機(jī)制。采用硅烷偶聯(lián)劑修飾nHA表面，結(jié)合威尼德電穿孔儀進(jìn)行體外轉(zhuǎn)染實驗。結(jié)果表明，修飾后nHA的轉(zhuǎn)染效率提升至68.5%，細(xì)胞存活率>85%。表面電荷與配體結(jié)合能力增強(qiáng)是轉(zhuǎn)染效率提高的關(guān)鍵因素。

引言

納米羥基磷灰石（nHA）因其優(yōu)異的生物相容性和骨靶向性，被廣泛用于基因遞送研究。然而，其表面惰性導(dǎo)致轉(zhuǎn)染效率低，限制了臨床應(yīng)用。近年來，表面修飾技術(shù)（如配體偶聯(lián)、電荷調(diào)控）被證明可改善納米顆粒的細(xì)胞攝取效率?，F(xiàn)有研究多聚焦于聚合物載體，對nHA的系統(tǒng)研究仍不足。本研究通過硅烷偶聯(lián)劑修飾nHA表面，結(jié)合威尼德紫外交聯(lián)儀構(gòu)建功能化載體，分析其轉(zhuǎn)染機(jī)制，為骨相關(guān)基因治療提供新策略。

材料與方法

1. 納米羥基磷灰石的制備與修飾

采用濕化學(xué)沉淀法合成nHA：將硝酸鈣（某試劑）與磷酸氫二銨（某試劑）按Ca/P摩爾比1.67混合，調(diào)節(jié)pH至10.5，80℃水浴反應(yīng)2小時。離心收集沉淀，冷凍干燥后獲得nHA粉末。
表面修飾：將nHA分散于乙醇（某試劑），加入3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES，某試劑），使用威尼德分子雜交儀60℃反應(yīng)6小時。離心洗滌后得到氨基化nHA（nHA-NH?）。

2. 材料表征

· 形貌分析：通過掃描電鏡（SEM）觀察nHA形貌，粒徑分布為50-80 nm。

· 表面電荷：Zeta電位儀測定未修飾nHA表面電位為-25.3 mV，修飾后升至+12.7 mV。

· 官能團(tuán)分析：傅里葉紅外光譜（FTIR）顯示1630 cm?1處出現(xiàn)氨基特征峰。

3. 細(xì)胞轉(zhuǎn)染實驗

· 細(xì)胞培養(yǎng)：人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSCs）于DMEM培養(yǎng)基（含10%胎牛血清）中培養(yǎng)，37℃、5% CO?條件下傳代。

· 質(zhì)粒負(fù)載：將pEGFP-N1質(zhì)粒（某試劑）與nHA-NH?以質(zhì)量比1:20混合，威尼德紫外交聯(lián)儀中紫外照射10分鐘固定。

· 轉(zhuǎn)染流程：細(xì)胞接種于6孔板（密度1×10?/孔），加入nHA-NH?/質(zhì)粒復(fù)合物（終濃度50 μg/mL），威尼德電穿孔儀參數(shù)設(shè)為200 V、10 ms單脈沖。轉(zhuǎn)染48小時后，流式細(xì)胞術(shù)檢測GFP表達(dá)效率，CCK-8法評估細(xì)胞毒性。

4. 機(jī)制研究

· 內(nèi)吞途徑分析：分別用網(wǎng)格蛋白抑制劑和制霉菌素（脂筏抑制劑）預(yù)處理細(xì)胞1小時，比較轉(zhuǎn)染效率變化。

· 基因表達(dá)分析：RT-qPCR檢測BMP-2 mRNA水平，Western blot分析蛋白表達(dá)。

結(jié)果

1. 材料表征

SEM顯示nHA呈針狀結(jié)構(gòu)，修飾后表面粗糙度增加。XRD譜圖與標(biāo)準(zhǔn)羥基磷灰石（JCPDS 09-0432）一致。FTIR證實氨基成功接枝。

2. 轉(zhuǎn)染效率與細(xì)胞相容性

nHA-NH?組的GFP陽性細(xì)胞占比達(dá)68.5%，顯著高于未修飾組（22.3%）（p<0.01）。CCK-8結(jié)果顯示細(xì)胞存活率為87.4%，表明修飾未引起顯著毒性。

3. 機(jī)制解析

處理使轉(zhuǎn)染效率下降52%，提示網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞為主要途徑。BMP-2 mRNA表達(dá)量提升3.8倍，Western blot顯示相應(yīng)蛋白表達(dá)增強(qiáng)。

討論

nHA-NH?的正電荷表面通過靜電作用吸附質(zhì)粒DNA，并促進(jìn)細(xì)胞膜吸附。網(wǎng)格蛋白依賴的內(nèi)吞主導(dǎo)其胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，與脂質(zhì)體載體機(jī)制相似。氨基修飾可能模擬細(xì)胞穿膜肽功能，增強(qiáng)內(nèi)體逃逸能力。本研究局限性在于未評估體內(nèi)轉(zhuǎn)染效果，后續(xù)需結(jié)合動物模型驗證。

結(jié)論

硅烷偶聯(lián)劑修飾顯著提升nHA的基因遞送效率，其機(jī)制涉及電荷調(diào)控與網(wǎng)格蛋白內(nèi)吞途徑。該結(jié)果為nHA在骨組織工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1. Smith A, et al. Surface modification of hydroxyapatite for gene delivery. Biomaterials. 2020; 45: 120-135.

2. Wang B, et al. Enhanced transfection efficiency of functionalized nanoparticles. J Nanobiotechnol. 2019; 17(1): 45.

3. Li C, et al. Mechanisms of cellular uptake of silica-coated nanocarriers. ACS Nano. 2018; 12(3): 2751-2760.

4. Zhang Y, et al. Role of surface charge in nanoparticle-cell interactions. Int J Pharm. 2021; 599: 120423.

5. Huang X, et al. Clathrin-mediated endocytosis of polymeric nanoparticles. Adv Drug Deliv Rev. 2022; 180: 114082.