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背景介绍

神经系统中的细胞通讯不仅通过突触和旁分泌信号介导，还通过细胞外囊泡（EVs）——包括外泌体在内的膜包被纳米颗粒——运输蛋白质、核酸、脂质和代谢物，塑造神经元和胶质细胞的功能。EVs携带其亲代细胞来源的膜蛋白（如四跨膜蛋白、黏附分子和融合蛋白），能够实现特定细胞类型的选择性靶向和高效货物递送，使其成为非病毒基因递送的有力候选者。然而，天然EVs携带异质且难以控制的货物，传统装载方法常影响包封效率和囊泡完整性。合成脂质体在组成和载荷方面具有精确、可扩展的控制优势，但缺乏内在生物识别能力，导致脱靶分布和毒性，尤其在脑部应用中。因此，如何整合生物特异性和合成精准性，开发兼具天然EV靶向特性和合成载体可控性的杂合递送系统，是中枢神经系统基因递送领域的核心挑战。

研究思路

针对上述挑战，宾汉姆顿大学饶思圆、汪前彬教授团队开发了一种Fusosomes杂合纳米颗粒，通过将星形胶质细胞来源的外泌体与基因负载的合成脂质体融合而成。该设计保留了天然外泌体膜及其靶向和融合机制，同时利用合成脂质体组分定义载荷和理化性质。通过调控脂质组成、表面电荷和粒径，Fusosomes可被工程化为亚100 nm的载体，平衡EV样运输特性与合成纳米载体的可控性。该平台在体内通过递送Cre重组酶mRNA，在Ai14和Ai32转基因小鼠中成功诱导了运动皮层和腹侧被盖区（VTA）的ChR2表达，并在光遗传刺激期间产生了可量化的行为变化。相关内容以Hybrid Nonviral Nanocarriers Enable Functional Neural Modulation发表在ACS Nano！

图片解析

图1. 杂合非病毒纳米载体（Fusosomes）工程化示意图： 通过融合星形胶质细胞来源的外泌体与仿生囊泡（脂质体），构建增强mRNA递送的杂合系统，整合了外泌体固有的神经元靶向特性和合成脂质体的可调组成，实现Cre重组酶mRNA的高效递送用于光遗传操控。

图2. Fusosomes的理化表征与体外功能分析： (A) 脂质体（Lipo）、星形胶质细胞外泌体（Exo）和杂合纳米囊泡（Fuso）的TEM图像（标尺50 nm）。(B-D) DLS粒径分布、比较粒径分布和zeta电位，Exo为17.10±0.52 mV，Lipo为2.66±0.14 mV，Fuso为-5.64±0.35 mV，PEI修饰后PEI/Fuso为-0.07±0.34 mV。(E) 4°C下2周的储存稳定性。(F) mRNA包封效率，Fuso为42.17±1.06%（n=4）。(G) Neuro2A-loxP-GFP细胞中Cre/loxP基因表达系统示意图。(H) RT-qPCR定量GFP mRNA表达，PEI/Fuso组达4.33倍于对照组。(I) 转染48 h后GFP表达的荧光显微图像（DAPI核染，标尺20 μm）。(J) GFP阳性细胞定量，所有脂质组均>90%（n=6）。(K-L) 活/死细胞染色及定量，Fuso组死细胞率仅1.7±0.28%（标尺50 μm，*p<0.05）。

图3. 体外电生理表征与体内神经元靶向： (A) 膜片钳技术示意图及代表性明场图像（标尺20 μm）。(B-E) Neuro2A-loxP-GFP细胞的电生理特性：膜电阻（B）、膜电容（C）、单位面积归一化膜电容（D）和静息膜电位（E，n=9）。Fuso和PEI/Fuso组更好地保留了膜电阻和静息膜电位。(F) Ai14小鼠中Cre mRNA递送及tdTomato表达的实验时间线。(G-H) 流式细胞术定量tdTomato⁺细胞群（G）和NeuN⁺神经元中tdTomato⁺比例（H），Fuso组神经元靶向效率为76.26±2.63%。(I-J) 共聚焦图像定量显示Lipo组（I）和Fuso组（J）中tdTomato与NeuN（神经元）或GFAP（星形胶质细胞）的共定位，Fuso组神经元靶向显著高于星形胶质细胞（*p<0.05）。(K) 代表性共聚焦图像显示Fuso递送后tdTomato表达及神经炎症标志物，Fuso组GFAP和IBA1荧光强度低于Lipo组（标尺50 μm）。

图4. 通过Fusosomes在浅层运动皮层（M2）进行体内光遗传运动调控： (A) 实验时间线示意图。(B) Ai32小鼠M2区域Fusosome介导ChR2-YFP表达的共聚焦图像（标尺50 μm）。(C-G) M2运动行为分析（n=8）：头部角度计算示意图和鼠标标记（C）、代表性运动轨迹（D）、总移动距离（E）、平均速度（F）和对侧/同侧旋转比例（G）。光刺激期间（Dur）总距离从2.11±0.31 m增至2.39±0.30 m（p=0.0359），平均速度从11.04±1.81增至12.54±1.67 mm/s（p=0.0392），对侧旋转偏好从0.47±0.04增至0.58±0.04（*p=0.0341）。

图5. 通过Fusosomes在深部腹侧被盖区（VTA）进行体内光遗传社交行为调控： (A) Ai32小鼠社交行为实验时间线和光刺激方案（10 min测试，分为1 min分隔和3个3 min光交替周期）。(B) VTA区域ChR2表达的共聚焦图像（标尺50 μm）。(C) DeepLabCut身体部位标记和社交区示意。(D) 三箱社交测试期间小鼠占据热图。(E-H) 社交行为定量分析（n=5）：与物体互动时间（E）、与陌生小鼠互动时间（F）、社交区停留时间（G）和社交偏好指数（PI）（H）。光刺激期间与陌生小鼠互动时间从17.29±11.58 s增至54.95±16.69 s（*p=0.0473），社交区停留时间从80.28±17.12 s增至119.3±23.97 s。

结论

本研究成功开发了Fusosomes杂合纳米颗粒平台，通过融合星形胶质细胞来源的外泌体和基因负载的合成脂质体，整合了天然EVs的生物靶向特性和合成纳米载体的精准可控性。Fusosomes保留了外泌体膜的关键功能——包括靶向和融合机制，同时通过脂质组成调控实现mRNA的高效包封（42%）和递送。该平台支持生理完整的神经元电生理响应（膜电阻、膜电容和静息膜电位均得到良好保持），在Ai14小鼠中实现76%的神经元特异性基因递送，且在注射部位诱导的胶质活化低于传统脂质体。通过与光遗传学工具结合，Fusosomes在运动皮层介导ChR2表达并驱动运动行为改变（光刺激期间总距离增加13%、对侧旋转偏好增强），在VTA介导ChR2表达并增强社交互动（社交区停留时间增加49%）。该纳米平台桥接了天然生物特异性和工程精准性，为神经环路解析提供了可控的基因调控工具。

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