细菌外膜囊泡的化学工程化：疾病治疗新策略与应用前景

《Science China-Chemistry》：Chemical engineering of bacterial outer membrane vesicles for disease treatment: strategies and applications

本文聚焦细菌外膜囊泡（OMVs）的化学修饰策略，系统探讨了如何通过共价偶联、生物正交反应、生物矿化等技术改造OMVs表面特性，以提升其靶向性、稳定性及生物安全性。研究总结了氨基、巯基、羧基等天然反应位点的修饰方法，并介绍了SpyTag/SpyCatcher、点击化学、GMMA、GPI锚定等工程化策略，展示了OMVs在疫苗开发、肿瘤免疫治疗、靶向递送等领域的应用潜力，为下一代纳米药物平台的设计提供了重要理论支撑和技术路径。

　　

在纳米医学迅猛发展的今天，细菌外膜囊泡（Outer Membrane Vesicles, OMVs）作为一种天然来源的纳米颗粒，因其独特的生物学特性而备受关注。OMVs是革兰氏阴性菌分泌的磷脂双分子层结构，富含脂多糖（LPS）、外膜蛋白和胞质内容物，不仅参与细菌间的通讯和宿主互作，还具备良好的生物相容性、优异的细胞摄取能力以及天然的免疫激活特性。这些特点使OMVs成为理想的疫苗载体和药物递送系统。然而，天然OMVs存在一系列局限性：它们容易引发非特异性生物分布，批次间异质性强，内毒素（如LPS）可能引起过度炎症反应，且对其内容物的装载和释放控制能力有限。这些问题严重制约了OMVs的临床转化与应用拓展。为此，研究人员开始探索通过化学工程手段对OMVs进行精准改造，以提升其功能性与安全性。

在这一背景下，发表于《Science China Chemistry》的综述文章《Chemical engineering of bacterial outer membrane vesicles for disease treatment: strategies and applications》系统梳理了OMVs化学修饰的最新进展。文章指出，化学修饰作为一种灵活、可定制的策略，能够在OMVs生产后对其表面进行分子级精度的调控，而不依赖遗传改造或复杂的物理方法。通过共价偶联、生物正交反应、生物矿化、脂质修饰等多种手段，研究人员成功实现了对OMVs表面特性的定向改造，包括增强其靶向能力、改善胶体稳定性、降低免疫原性、实现刺激响应性释药等。这些改性策略不仅扩展了OMVs在传染病疫苗、肿瘤免疫治疗、精准药物递送等领域的应用场景，也为其从基础研究走向临床提供了关键技术支撑。

为了系统梳理OMVs化学工程的研究路径，作者重点归纳了几类关键的技术方法。在天然OMVs的修饰中，常利用其表面的氨基、巯基和羧基等活性基团，通过EDC/NHS（乙基二甲基氨基丙基碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺）介导的酰胺偶联、马来酰亚胺-巯基点击反应等手段实现配体或功能分子的共价锚定。在工程化OMVs方面，SpyTag/SpyCatcher等异肽键连接系统实现了蛋白质的位点特异性“即插即用”；代谢标记结合铜游离点击化学反应（如SPAAC）实现了生物正交修饰；生物矿化技术（如CaCO₃、CaP包覆）赋予OMVs pH响应特性与免疫调节功能；此外，脂质A结构改造、GMMA（广义膜抗原模块）平台、GPI（糖基磷脂酰肌醇）锚定等技术也进一步拓展了OMVs的功能维度。这些方法不仅操作相对标准化，也具备良好的重复性与生物相容性，为后续应用研究奠定了基础。

化学修饰策略

文章系统总结了OMVs化学修饰的两大路径：一是基于天然反应位点的修饰，二是对工程化OMVs的进阶功能改造。在天然OMVs中，氨基、巯基和羧基作为三类主要的反应位点，分别通过NHS酯偶联、迈克尔加成反应和碳二亚胺化学实现功能分子的定向引入。例如，Li等通过氨基导向的马来酰亚胺修饰构建了“1-MT@OMV-Mal”肿瘤疫苗，实现了肿瘤新抗原的捕获与免疫抑制逆转；Zhuang等则利用巯基-马来酰亚胺反应开发了靶向肿瘤相关巨噬细胞的mU@OMVs平台，显著增强抗肿瘤免疫应答。羧基修饰方面，Cheng等通过EDC/NHS反应将苯硼酸（PBA）修饰到OMVs表面，构建了si@HOMV-PBA系统，用于靶向降解肿瘤细胞外基质并沉默CD73基因，增强免疫治疗效果。

工程化OMVs的化学修饰

在工程化OMVs方面，异肽键工具（如SpyTag/SpyCatcher、SnoopTag/SnoopCatcher）实现了多位点蛋白的高效锚定，显著提升了抗原呈递的密度与稳定性。点击化学则通过引入叠氮、炔烃等生物正交基团，实现了聚合物、靶向配体乃至无机纳米颗粒的精准偶联，如Feng等开发的PEG/Se@OMV-CD47nb系统在放疗后可释放OMVs并激活多类免疫细胞。生物矿化策略进一步扩展了OMVs的功能边界：Qing等利用pH敏感的磷酸钙（CaP）壳层包覆OMVs，实现酸响应释药与肿瘤微环境调控；Liu等将OMVs与Fe₃O₄/MnO₂纳米颗粒复合，构建了兼具靶向、免疫激活及光热治疗功能的OMV@FMO系统。此外，脂质A的结构优化、GMMA平台的多糖展示、GPI锚定技术的真核蛋白嵌合等策略，也为OMVs的低毒化、高免疫原性与多功能集成提供了新思路。

总结与展望

综上所述，化学修饰显著提升了OMVs的靶向能力、稳定性、安全性及功能多样性，为其在传染性疾病疫苗、肿瘤免疫治疗、联合诊断与治疗等领域的应用开辟了广阔前景。目前，基于OMVs的脑膜炎球菌疫苗已成功上市，COVID-19等病毒疫苗以及多种肿瘤免疫疗法也进入研发阶段。然而，OMVs的临床转化仍面临三大挑战：一是其内源性LPS可能引发强烈炎症反应；二是大规模纯化与生产存在技术瓶颈；三是体内免疫清除机制可能限制其半衰期与疗效。未来研究需进一步探索OMVs在复杂生理环境中的行为机制，优化规模化制备工艺，并加强临床前与临床验证，从而真正释放这一天然纳米平台的临床应用价值。

通过本综述的系统梳理，不难看出化学工程化为OMVs赋予了“精准设计、智能响应、多功能集成”的新特性，使其有望成为下一代纳米药物与疫苗载体的理想平台。随着修饰策略的不断优化与应用场景的持续拓展，OMVs将在精准医学和免疫治疗中发挥越来越重要的作用。