在基因傳遞中，載體在DNA（親水，帶負(fù)電）通過(guò)細(xì)胞膜（疏水，帶負(fù)電）的過(guò)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(tǒng)中存在許多傳遞障礙，如細(xì)胞內(nèi)攝取、內(nèi)體逃逸、DNA釋放和核攝取等，以及細(xì)胞外屏障，如避免顆粒清除機(jī)制、靶向特定組織和/或感興趣的細(xì)胞、保護(hù)DNA免受降解等，因此開發(fā)一種高效且生物相容性好的基因傳遞系統(tǒng)非常重要。到目前為止，基因傳遞系統(tǒng)可分為兩大類，即病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)和非病毒轉(zhuǎn)染系統(tǒng)。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(guī)模制造、質(zhì)量控制成本、免疫原性和潛在的致癌性等缺點(diǎn)限制了病毒載體在基因傳遞中的應(yīng)用。
因此，研究人員已將注意力轉(zhuǎn)向開發(fā)非病毒載體，作為傳遞基因的替代載體。非病毒傳遞系統(tǒng)有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括易于制備，適于聚合物性質(zhì)的合成操作， 細(xì)胞或組織靶向性，低免疫原性和致癌性，無(wú)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(jié)構(gòu)修飾載體的優(yōu)點(diǎn)， 可以很容易地將遺傳物質(zhì)傳遞到靶細(xì)胞。
其中，納米材料是基因傳遞的理想材料，因?yàn)槠湮锢硇再|(zhì)使其適合于特定的功能。無(wú)機(jī)納米材料因其易于功能化、獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性、生物相容性以及低細(xì)胞毒性而備受追捧。磁性納米顆粒、金納米顆粒、量子點(diǎn)和碳納米管是常用的無(wú)機(jī)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(guān)聯(lián)的程序，可以在磁場(chǎng)存在下增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)移。它最初是由Christian Plank和他的同事開發(fā)的，他們通過(guò)使用MNPs-DNA復(fù)合物或MNPs病毒載體復(fù)合物在細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)轉(zhuǎn)移基因。過(guò)程很簡(jiǎn)單：將MNPs-DNA復(fù)合物添加到貼壁細(xì)胞的培養(yǎng)物中，并將磁鐵靠近燒瓶或平板的底部，將磁性復(fù)合物吸引到底部，在那里它們與細(xì)胞密切接觸并被物理內(nèi)化，對(duì)內(nèi)吞攝取機(jī)制沒(méi)有任何特殊的磁力影響。在體內(nèi)，在靶部位添加磁場(chǎng)會(huì)增加轉(zhuǎn)染量，并將治療基因靶向到體內(nèi)的特定器官/位置。一般來(lái)說(shuō)，我們通過(guò)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(lái)捕獲顆粒。一旦被捕獲，這些顆粒就會(huì)被滯留在目標(biāo)部位，然后被組織吸收。
金納米粒子
金納米顆粒（AuNPs）是一種穩(wěn)定、均勻、具有生物相容性的金屬納米顆粒，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、尺寸相關(guān)的強(qiáng)度顯示、高度可調(diào)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(xué)性質(zhì)使它們能夠與各種生物分子和配體進(jìn)行定制。例如，Klibanov等人將~2 kDa 聚乙烯亞胺（PEI）鏈共價(jià)連接到AuNPs上，將質(zhì)粒DNA載體傳遞到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中。他們發(fā)現(xiàn)，最有效的偶聯(lián)物在質(zhì)粒DNA傳遞方面的效率是未經(jīng)修飾的PEI對(duì)偶物的12倍（圖1）。AuNPs的另一個(gè)重要特征是其金屬核心構(gòu)建塊。這種結(jié)構(gòu)為治療材料提供了堅(jiān)實(shí)的支撐，使這些材料即使在無(wú)限稀釋后也能保持穩(wěn)定。
圖 1：在不同N/P比下，COS-7細(xì)胞培養(yǎng)中β-gal基因在血清存在下由PEI2（圖 a-c）和PEI2 - gnpii（圖 d- f）介導(dǎo)的表達(dá)程度。對(duì)于a，d，N/P=90; 對(duì)于b，e, N/P=120；對(duì)于c，f，N/P=150。
量子點(diǎn)
量子點(diǎn)（QD）是基于半導(dǎo)體的單分散納米晶體，可以通過(guò)膠體或等離子體合成機(jī)制等不同方法制備。由于其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，量子點(diǎn)是一種有吸引力的無(wú)機(jī)材料。量子點(diǎn)的大小與它們的吸收和基因傳遞效率直接相關(guān)。例如，Yang等人通過(guò)在單個(gè)點(diǎn)上涂覆PEI合成了多個(gè)QD（MQD）束。這些MQD結(jié)合編碼增強(qiáng)型綠色熒光蛋白（pEGFP）的質(zhì)粒DNA分子（pDNA），然后有效地將該pDNA傳遞到人間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）中。他們發(fā)現(xiàn)，在幾個(gè)不同大小的QD中，QD655 是覆蓋PEI/pDNA的最大QD，轉(zhuǎn)染效率最高。QD655的熒光強(qiáng)度比使用QD525 的結(jié)果高60%（圖 2）。這表明使用量子點(diǎn)進(jìn)行基因傳遞是針對(duì)難以穿透的干細(xì)胞的另一種有吸引力的方法。
圖 2：多個(gè)QD捆綁NPs轉(zhuǎn)染hMSCs的裸鼠體內(nèi)生物成像。（A）皮下注射多個(gè)
QD捆綁NPs轉(zhuǎn)染hMSCs的小鼠體內(nèi)光學(xué)成像：a）對(duì)照組，b）合并圖像，c- f）移植區(qū)域圖像，c）多個(gè)QD525捆綁NPs，d）多個(gè)QD565捆綁NPs，e）多個(gè)QD605捆綁NPs，f）多個(gè)QD655捆綁NPs與pDNA復(fù)合物；（B）（A）中熒光信號(hào)的定量；（C）多個(gè)QD捆綁NPs轉(zhuǎn)染hMSCs移植區(qū)熒光信號(hào)（a-d）和共聚焦熒光圖像（e-h）的定量：多個(gè)QD525捆綁NPs（a和e），多個(gè)QD565捆綁NPs（b和f），多個(gè)QD605捆綁NPs（c和g），多個(gè)QD655捆綁NPs處理組（d和h）。
碳納米管
考慮到缺乏對(duì)內(nèi)源性酶的穩(wěn)定性，較差的藥代動(dòng)力學(xué)特征，以及固有的無(wú)法橫過(guò)質(zhì)膜的能力，它對(duì)核酸在體內(nèi)的治療遞送是一個(gè)挑戰(zhàn)。碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）已被廣泛應(yīng)用，包括用于基因治療的核酸遞送。CNTs需要對(duì)其外表面進(jìn)行化學(xué)調(diào)整，以便在各種應(yīng)用中最大限度地發(fā)揮其獨(dú)特的性能。CNTs 具有獨(dú)特的長(zhǎng)徑比，是化學(xué)功能化策略和生物相容性的理想模板，這使其成為分子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的有希望的候選者。此外，經(jīng)過(guò)表面功能化后，CNTs在水介質(zhì)中的溶解度增加， 在體內(nèi)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(tǒng)。Munk等人評(píng)估了羧酸功能化多壁碳納米管（COOH-MWCNTs）的細(xì)胞毒性及其將編碼綠色熒光蛋白基因的質(zhì)粒 DNA傳遞到牛原代成纖維細(xì)胞的用途。流式細(xì)胞術(shù)細(xì)胞活力結(jié)果顯示低濃度COOH-MWCNTs 的無(wú)毒性。拉曼光譜的頻移表明質(zhì)粒DNA與納米材料相連。熒光成像、流式細(xì)胞術(shù)和PCR分析證實(shí)COOH-MWCNT成功將pDNA 導(dǎo)入原代成纖維細(xì)胞。結(jié)果表明，COOH-MWCNTs是將DNA遞送到難以轉(zhuǎn)染的原代牛細(xì)胞的有吸引力的替代方案。
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