病毒，本质上是被蛋白质外壳或衣壳包裹的核酸，是为作为细胞寄生虫的生活方式而精心设计的。靶向、包装和递送都在数十亿年的进化过程中得到了优化。为了寻找目标细胞，病毒外壳整合了针对特定细胞类型的识别和停靠位点。为了稳定其带负电的遗传物质包，病毒可能在其衣壳内部携带非常高的正电荷。一旦到达目的地，病毒就会将其基因递送到目标细胞的内部，在那里它会篡夺细胞机制以实现病毒的目的。现在，研究人员正在利用这些病毒系统来开发巧妙的纳米技术应用，用于医学成像和药物递送，以及构建电子设备的新方法（参见侧边栏：“用于电子设备的病毒纳米组装器”）。
蒙大拿州立大学波兹曼分校的马克·杨和特雷弗·道格拉斯，与加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的杰克·约翰逊小组合作，花费了数年时间研究病毒的结构和组装。他们专注于经过充分研究的豇豆绿斑驳病毒（CCMV）。CCMV 的病毒外壳，像许多病毒一样，由相同的蛋白质亚基组成，这些亚基自组装成称为二十面体的准球形形状。杨指出，这种几何形状形成了可以由相同亚基构成的给定尺寸的最大体积。这些亚基被组织成五边形和六边形帽壳粒，它们的排列方式类似于足球上的图案。CCMV 具有门控孔，这些孔根据其周围环境的化学性质打开和关闭。
凭借丰富的 CCMV 知识，研究人员开始探索他们是否可以重新设计衣壳，使其既能结合成像剂，又能放大新的靶点。此外，他们想知道，除了核酸之外，病毒衣壳内部还可以包装什么？以及如何触发门控以进行递送？
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事实证明，衣壳在没有核酸的情况下组装，因此不再具有感染性，可以作为纳米工程师工具箱中高度可修改和通用的补充。方便的是，空衣壳甚至可以在试管中或在基因工程改造的酵母细胞中自组装，以产生亚基。
可视化威胁
为了征服转移性癌症，医生必须识别新肿瘤的部位，然后选择性地杀死失控的细胞。CCMV 衣壳有可能被设计来实现这两个目标。
例如，CCMV 衣壳可以改善磁共振成像 (MRI) 对微小新肿瘤的检测。MRI 通过识别水氢原子对强大磁场存在的不同反应来进行识别。在扫描之前，患者可能会接受成像剂的注射，最常见的是钆。目前给出的试剂使感兴趣的区域更加清晰，但通常无法分辨极小的转移灶。
在过去的两年中，杨、道格拉斯及其同事通过将钆原子整合到 CCMV 蛋白质外壳中，显着提高了 MRI 图像的对比度水平。这促进了钆与水分子的相互作用。这是因为钆分子——其中 180 个编织到直径 28 纳米的衣壳中——往往在任何给定位置都具有更高的浓度。此外，与今天容易结块的钆试剂不同，与衣壳表面结合的钆使原子均匀分布并可与水相互作用。
为了将钆附着到衣壳上，科学家们用该试剂替换了通常的钙——通常，在衣壳组装过程中，钙会结合到亚基之间的蛋白质外壳上的位点。为了进一步将钆结合到衣壳上，研究人员对病毒基因组进行了基因工程改造，优化了钆的结合位点。
现在他们有了一种改进的成像剂，科学家们希望在 MRI 图像中专门点亮转移灶。为了做到这一点，研究人员在衣壳上放置了基于蛋白质的停靠分子。这些停靠位点将与癌细胞表面表达的蛋白质结合，因此与钆结合的衣壳将聚集在肿瘤部位。
研究人员再次求助于基因工程，对病毒基因组进行改造。事实上，他们发现不同类型的停靠位点可以放置在一个衣壳上，这有可能同时搜索多种癌症类型。
在一项测试该技术的实验中，研究人员附着了层粘连蛋白肽 11，这是一种层粘连蛋白结合蛋白的停靠位点。这种蛋白质在许多类型的乳腺癌细胞表面大量表达。在细胞培养系统中进行测试时，病毒衣壳能够定位癌细胞并与之结合；癌细胞位置是通过使用实验室技术核磁共振 (NMR) 检测到的，其工作原理与临床使用的 MRI 相同。
通过将停靠位点和钆结合到每个衣壳上，研究人员可以将衣壳聚集在微小的癌细胞团块周围，并在实验系统中对其进行成像。但是，根除转移性癌症又如何呢？
杀死癌细胞
病毒衣壳失去了核酸，可以成为将有效的抗癌化合物运送到肿瘤部位的便捷手提箱。在过去的四年中，研究人员已经证明，各种化合物都可以放置在胶囊内部。他们表明，一些用于治疗癌症的治疗剂可以通过病毒门封装，或者在少数情况下，实际上可以使用衣壳作为微型反应容器在原位制造。
剩下的最后一个难题是：一旦携带药物停靠在肿瘤处，衣壳将如何递送其有毒物质包？自然赋予 CCMV 的病毒门由 pH 值控制，这对于将药物递送到特定部位来说并不是一个有用的触发因素。
科学家们再次重新设计了进化解决方案，并设计了由氧化还原电位控制的门（局部环境的氧化态，它影响分子失去或获得电子的趋势）。对于初步工作，科学家们使用了 CCMV，作为一种植物病毒，它不会进入人类细胞；然而，最终的递送载体可能是一种经过重新配置的人类病毒，它可以滑入人类细胞。由于细胞内部的氧化还原电位高于血液，因此病毒衣壳在运输过程中可能会紧闭，但一旦进入目标癌细胞，它们就会打开其氧化还原控制的门。科学家们还在开发另一种类型的门，这种门由癌症治疗中常用的某种类型的辐射触发。
该团队目前正在探索改良的病毒胶囊在小鼠模型系统中的工作原理，并对有希望的初步结果感到鼓舞。总而言之，新设计的衣壳的四种能力——高灵敏度成像、靶点寻找、药物运输和受控递送——加起来构成了一种潜在的强大且毒性极小的方式来对抗转移性癌症。
安妮·M·罗森塔尔居住在旧金山地区。