病毒，本質上是被蛋白質外殼或衣殼包裹的核酸，是為作為細胞寄生蟲的生活方式而精心設計的。靶向、包裝和遞送都在數十億年的進化過程中得到了最佳化。為了尋找目標細胞，病毒外殼整合了針對特定細胞型別的識別和停靠位點。為了穩定其帶負電的遺傳物質包，病毒可能在其衣殼內部攜帶非常高的正電荷。一旦到達目的地，病毒就會將其基因遞送到目標細胞的內部，在那裡它會篡奪細胞機制以實現病毒的目的。現在，研究人員正在利用這些病毒系統來開發巧妙的奈米技術應用，用於醫學成像和藥物遞送，以及構建電子裝置的新方法（參見側邊欄：“用於電子裝置的病毒奈米組裝器”）。
蒙大拿州立大學波茲曼分校的馬克·楊和特雷弗·道格拉斯，與加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯研究所的傑克·約翰遜小組合作，花費了數年時間研究病毒的結構和組裝。他們專注於經過充分研究的豇豆綠斑駁病毒（CCMV）。CCMV 的病毒外殼，像許多病毒一樣，由相同的蛋白質亞基組成，這些亞基自組裝成稱為二十面體的準球形形狀。楊指出，這種幾何形狀形成了可以由相同亞基構成的給定尺寸的最大體積。這些亞基被組織成五邊形和六邊形帽殼粒，它們的排列方式類似於足球上的圖案。CCMV 具有門控孔，這些孔根據其周圍環境的化學性質開啟和關閉。
憑藉豐富的 CCMV 知識，研究人員開始探索他們是否可以重新設計衣殼，使其既能結合成像劑，又能放大新的靶點。此外，他們想知道，除了核酸之外，病毒衣殼內部還可以包裝什麼？以及如何觸發門控以進行遞送？
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事實證明，衣殼在沒有核酸的情況下組裝，因此不再具有感染性，可以作為奈米工程師工具箱中高度可修改和通用的補充。方便的是，空衣殼甚至可以在試管中或在基因工程改造的酵母細胞中自組裝，以產生亞基。
視覺化威脅
為了征服轉移性癌症，醫生必須識別新腫瘤的部位，然後選擇性地殺死失控的細胞。CCMV 衣殼有可能被設計來實現這兩個目標。
例如，CCMV 衣殼可以改善磁共振成像 (MRI) 對微小新腫瘤的檢測。MRI 透過識別水氫原子對強大磁場存在的不同反應來進行識別。在掃描之前，患者可能會接受成像劑的注射，最常見的是釓。目前給出的試劑使感興趣的區域更加清晰，但通常無法分辨極小的轉移灶。
在過去的兩年中，楊、道格拉斯及其同事透過將釓原子整合到 CCMV 蛋白質外殼中，顯著提高了 MRI 影像的對比度水平。這促進了釓與水分子的相互作用。這是因為釓分子——其中 180 個編織到直徑 28 奈米的衣殼中——往往在任何給定位置都具有更高的濃度。此外，與今天容易結塊的釓試劑不同，與衣殼表面結合的釓使原子均勻分佈並可與水相互作用。
為了將釓附著到衣殼上，科學家們用該試劑替換了通常的鈣——通常，在衣殼組裝過程中，鈣會結合到亞基之間的蛋白質外殼上的位點。為了進一步將釓結合到衣殼上，研究人員對病毒基因組進行了基因工程改造，優化了釓的結合位點。
現在他們有了一種改進的成像劑，科學家們希望在 MRI 影像中專門點亮轉移灶。為了做到這一點，研究人員在衣殼上放置了基於蛋白質的停靠分子。這些停靠位點將與癌細胞表面表達的蛋白質結合，因此與釓結合的衣殼將聚集在腫瘤部位。
研究人員再次求助於基因工程，對病毒基因組進行改造。事實上，他們發現不同型別的停靠位點可以放置在一個衣殼上，這有可能同時搜尋多種癌症型別。
在一項測試該技術的實驗中，研究人員附著了層粘連蛋白肽 11，這是一種層粘連蛋白結合蛋白的停靠位點。這種蛋白質在許多型別的乳腺癌細胞表面大量表達。在細胞培養系統中進行測試時，病毒衣殼能夠定位癌細胞並與之結合；癌細胞位置是透過使用實驗室技術核磁共振 (NMR) 檢測到的，其工作原理與臨床使用的 MRI 相同。
透過將停靠位點和釓結合到每個衣殼上，研究人員可以將衣殼聚集在微小的癌細胞團塊周圍，並在實驗系統中對其進行成像。但是，根除轉移性癌症又如何呢？
殺死癌細胞
病毒衣殼失去了核酸，可以成為將有效的抗癌化合物運送到腫瘤部位的便捷手提箱。在過去的四年中，研究人員已經證明，各種化合物都可以放置在膠囊內部。他們表明，一些用於治療癌症的治療劑可以透過病毒門封裝，或者在少數情況下，實際上可以使用衣殼作為微型反應容器在原位製造。
剩下的最後一個難題是：一旦攜帶藥物停靠在腫瘤處，衣殼將如何遞送其有毒物質包？自然賦予 CCMV 的病毒門由 pH 值控制，這對於將藥物遞送到特定部位來說並不是一個有用的觸發因素。
科學家們再次重新設計了進化解決方案，並設計了由氧化還原電位控制的門（區域性環境的氧化態，它影響分子失去或獲得電子的趨勢）。對於初步工作，科學家們使用了 CCMV，作為一種植物病毒，它不會進入人類細胞；然而，最終的遞送載體可能是一種經過重新配置的人類病毒，它可以滑入人類細胞。由於細胞內部的氧化還原電位高於血液，因此病毒衣殼在運輸過程中可能會緊閉，但一旦進入目標癌細胞，它們就會開啟其氧化還原控制的門。科學家們還在開發另一種型別的門，這種門由癌症治療中常用的某種型別的輻射觸發。
該團隊目前正在探索改良的病毒膠囊在小鼠模型系統中的工作原理，並對有希望的初步結果感到鼓舞。總而言之，新設計的衣殼的四種能力——高靈敏度成像、靶點尋找、藥物運輸和受控遞送——加起來構成了一種潛在的強大且毒性極小的方式來對抗轉移性癌症。
安妮·M·羅森塔爾居住在舊金山地區。