在基因傳遞中，載體在DNA（親水，帶負電）通過細胞膜（疏水，帶負電）的過程中是必不可少的。此外，治療效率還取決于DNA有效地遞送到靶部位。由于系統中存在許多傳遞障礙，如細胞內攝取、內體逃逸、DNA釋放和核攝取等，以及細胞外屏障，如避免顆粒清除機制、靶向特定組織和/或感興趣的細胞、保護DNA免受降解等，因此開發一種高效且生物相容性好的基因傳遞系統非常重要。到目前為止，基因傳遞系統可分為兩大類，即病毒轉導系統和非病毒轉染系統。盡管病毒可用于基因傳遞，但其攜帶的DNA體積大、裝載能力低、大規模制造、質量控制成本、免疫原性和潛在的致癌性等缺點限制了病毒載體在基因傳遞中的應用。

因此，研究人員已將注意力轉向開發非病毒載體，作為傳遞基因的替代載體。非病毒傳遞系統有幾個明顯的優點，包括易于制備，適于聚合物性質的合成操作， 細胞或組織靶向性，低免疫原性和致癌性，無病毒重組，不受攜帶DNA大小的限制，制造成本低。此外，非病毒載體由于其大小、電荷和結構修飾載體的優點， 可以很容易地將遺傳物質傳遞到靶細胞。

其中，納米材料是基因傳遞的理想材料，因為其物理性質使其適合于特定的功能。無機納米材料因其易于功能化、獨特的電學和光學特性、生物相容性以及低細胞毒性而備受追捧。磁性納米顆粒、金納米顆粒、量子點和碳納米管是常用的無機材料，用于傳遞基因。

磁性納米顆粒

磁感染是一種基于磁性納米顆粒（MNPs）與基因載體關聯的程序，可以在磁場存在下增強基因轉移。它最初是由Christian Plank和他的同事開發的，他們通過使用MNPs-DNA復合物或MNPs病毒載體復合物在細胞培養和體內轉移基因。過程很簡單：將MNPs-DNA復合物添加到貼壁細胞的培養物中，并將磁鐵靠近燒瓶或平板的底部，將磁性復合物吸引到底部，在那里它們與細胞密切接觸并被物理內化，對內吞攝取機制沒有任何特殊的磁力影響。在體內，在靶部位添加磁場會增加轉染量，并將治療基因靶向到體內的特定器官/位置。一般來說，我們通過靜脈注射帶有治療基因的顆粒，并在靶部位施加高梯度的外部磁鐵來捕獲顆粒。一旦被捕獲，這些顆粒就會被滯留在目標部位，然后被組織吸收。

金納米粒子

金納米顆粒（AuNPs）是一種穩定、均勻、具有生物相容性的金屬納米顆粒，具有獨特的電子結構、尺寸相關的強度顯示、高度可調的電子、磁性和光電子特性， 使其成為基因傳遞的理想選擇。此外，AuNPs的軟表面化學性質使它們能夠與各種生物分子和配體進行定制。例如，Klibanov等人將~2 kDa 聚乙烯亞胺（PEI）鏈共價連接到AuNPs上，將質粒DNA載體傳遞到哺乳動物細胞中。他們發現，最有效的偶聯物在質粒DNA傳遞方面的效率是未經修飾的PEI對偶物的12倍（圖1）。AuNPs的另一個重要特征是其金屬核心構建塊。這種結構為治療材料提供了堅實的支撐，使這些材料即使在無限稀釋后也能保持穩定。

圖 1：在不同N/P比下，COS-7細胞培養中β-gal基因在血清存在下由PEI2（圖 a-c）和PEI2 - gnpii（圖 d- f）介導的表達程度。對于a，d，N/P=90; 對于b，e, N/P=120；對于c，f，N/P=150。

量子點

量子點（QD）是基于半導體的單分散納米晶體，可以通過膠體或等離子體合成機制等不同方法制備。由于其光學和電學性質，量子點是一種有吸引力的無機材料。量子點的大小與它們的吸收和基因傳遞效率直接相關。例如，Yang等人通過在單個點上涂覆PEI合成了多個QD（MQD）束。這些MQD結合編碼增強型綠色熒光蛋白（pEGFP）的質粒DNA分子（pDNA），然后有效地將該pDNA傳遞到人間充質干細胞（hMSCs）中。他們發現，在幾個不同大小的QD中，QD655 是覆蓋PEI/pDNA的最大QD，轉染效率最高。QD655的熒光強度比使用QD525 的結果高60%（圖 2）。這表明使用量子點進行基因傳遞是針對難以穿透的干細胞的另一種有吸引力的方法。

圖 2：多個QD捆綁NPs轉染hMSCs的裸鼠體內生物成像。（A）皮下注射多個

QD捆綁NPs轉染hMSCs的小鼠體內光學成像：a）對照組，b）合并圖像，c- f）移植區域圖像，c）多個QD525捆綁NPs，d）多個QD565捆綁NPs，e）多個QD605捆綁NPs，f）多個QD655捆綁NPs與pDNA復合物；（B）（A）中熒光信號的定量；（C）多個QD捆綁NPs轉染hMSCs移植區熒光信號（a-d）和共聚焦熒光圖像（e-h）的定量：多個QD525捆綁NPs（a和e），多個QD565捆綁NPs（b和f），多個QD605捆綁NPs（c和g），多個QD655捆綁NPs處理組（d和h）。

碳納米管

考慮到缺乏對內源性酶的穩定性，較差的藥代動力學特征，以及固有的無法橫過質膜的能力，它對核酸在體內的治療遞送是一個挑戰。碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）已被廣泛應用，包括用于基因治療的核酸遞送。CNTs需要對其外表面進行化學調整，以便在各種應用中最大限度地發揮其獨特的性能。CNTs 具有獨特的長徑比，是化學功能化策略和生物相容性的理想模板，這使其成為分子轉運系統的有希望的候選者。此外，經過表面功能化后，CNTs在水介質中的溶解度增加， 在體內和體外的生物相容性和傳遞核酸的傾向都得到改善。因此，具有表面修飾的CNTs是一系列核酸的理想遞送系統。Munk等人評估了羧酸功能化多壁碳納米管（COOH-MWCNTs）的細胞毒性及其將編碼綠色熒光蛋白基因的質粒 DNA傳遞到牛原代成纖維細胞的用途。流式細胞術細胞活力結果顯示低濃度COOH-MWCNTs 的無毒性。拉曼光譜的頻移表明質粒DNA與納米材料相連。熒光成像、流式細胞術和PCR分析證實COOH-MWCNT成功將pDNA 導入原代成纖維細胞。結果表明，COOH-MWCNTs是將DNA遞送到難以轉染的原代牛細胞的有吸引力的替代方案。

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