科技前沿 | 聚合物在RNAi杀虫剂应用研究中的新成果

日期:10-28-2024

农业系统无疑是全球粮食生产的基石，为预计到2050年将达到97亿的不断增长的全球人口提供食物。然而，这个农业生产却持续受到病虫害的威胁，这些病虫害危及农作物产量，直接威胁食品安全和经济稳定。据联合国粮农组织估计，每年因病虫害造成的全球农作物损失约为20-40%。此外，由于人口增长和昆虫代谢率的增加，每升高一摄氏度，这个百分比可能会增加10到25%。这些令人警觉的统计数据强调了在害虫管理中迫切需要创新和可持续的解决方案。

传统上，农业部门依赖化学农药来对抗这些敌人。农药非常有效，经济实惠，并且可以快速应用以立即对害虫种群产生影响。然而，尽管农药带来了一些成功，但它们也引发了深切的担忧。通常，这些化学剂会将有毒物质引入生态系统，引发对非目标生物（包括人类）的不良影响，污染土壤，并污染水系统。此外，害虫已经显示出对这些化学处理产生抗药性的能力，逐渐降低农药的效果，并导致更具抵抗力和挑战性的害虫种群。这些累积的挑战需要新的、环保的、精确指导的害虫管理策略，以确保全球粮食安全和环境可持续性。

在追求这种可持续的害虫控制中，基于RNA干扰（RNAi）的技术已经成为一种有前景的替代方案。RNA干扰，源自Fire和Mello在秀丽隐杆线虫中的开创性研究，是过去二十年中最深远的科学进步之一。

图1：RNA干扰（RNAi）的过程

RNAi途径是许多真核生物中自然发生的一种保守的基因沉默过程。它在防御细胞免受病毒或转座子等寄生核苷酸序列侵害方面起着至关重要的作用。这一现象包括三个基本阶段（图1）：（1）由Dicer酶将长双链RNA（dsRNA）切割成大约21至23个核苷酸长度的小干扰RNA（siRNA）；（2）将一个siRNA链加载到RNA诱导的沉默复合体（RISC）中的Argonaute蛋白（AGO）上；以及（3）通过RISC识别和切割互补的信使RNA（mRNA）序列，使其失去功能，从而阻止蛋白质翻译。这种RNAi现象广义上包括内源性诱导的基因沉默和外源dsRNA引发的沉默。利用这种基因沉默过程，特别是对外源dsRNA的利用，促进了基于这种生物机制的新型害虫管理技术的发展。

图2：外源性dsRNA递送方法的示意图

对这种技术在害虫控制应用中的日益关注，促进了众多外源dsRNA传递方法的发展，这些方法被分类为直接或植物介导（图2）。其中，喷雾诱导基因沉默（SIGS）由于其易于应用、多功能性和长期有效性而脱颖而出。SIGS涉及将RNA分子，通常以dsRNA或siRNA的形式，通过喷雾或其他传递机制直接应用于植物表面（图2）。随后，这些RNA分子可以被植物内化或保持在表面上，由昆虫或病原体摄取。SIGS不依赖于遗传修改，使其在转基因生物（GMOs）面临抵制的地区更易接受。当害虫接触或摄取这些RNA分子时，它们进入害虫细胞内的RNAi途径，其中dsRNA被处理成siRNAs。这些siRNAs引导RISC到目标mRNA，导致其降解。这种方法提供了一种多功能且快速的手段，直接将RNAi效应器传递给昆虫害虫，允许精确的害虫管理，而不永久改变植物的遗传构成。

然而，RNAi在农业中的实际应用面临着巨大的挑战。其中最主要的挑战是如何有效地将dsRNA分子传递到目标害虫或植物中。在直接由害虫摄取的情况下，dsRNA分子首先需要应对几个环境和生理挑战。当dsRNA被应用到植物表面时，它容易受到环境因素如游离核酸酶、碱性水解和紫外线辐射的降解。这些因素可能在dsRNA到达害虫之前就将其分解。一旦昆虫摄取了含有dsRNA的植物材料，dsRNA在昆虫的消化系统内还面临额外的障碍。

昆虫中的第一个挑战是围食膜，这是一个主要由几丁质和糖蛋白组成的结构。由于其带负电荷，阻碍了dsRNA进入肠上皮细胞，导致静电排斥并限制了dsRNA通过围食膜的移动。此外，肠道中含有各种能够降解dsRNA的核酸酶。这些酶在昆虫中大部分尚未被鉴定，通常在碱性pH值和存在Mg²⁺离子的情况下活性更强。dsRNA还必须在某些昆虫的血淋巴中保存完整，例如双翅目、直翅目和鳞翅目昆虫，其中pH值可以从9到10.5。尽管双链RNA比单链RNA更能抵抗碱性裂解，但这种化学环境仍然构成了显著的降解风险。

对于间接（植物介导）的摄取，dsRNA分子首先必须被植物内化并处理。在应用到植物表面后，dsRNA必须穿透相对不透水的亲脂性角质层，这通常需要物理处理或使用表面活性剂以促进进入。一旦通过角质层，dsRNA进入胞间质空间，在那里它遇到植物细胞壁。这个多孔的多糖基质可以根据其大小和表面化学性质限制dsRNA的运动。研究已经显示，细胞壁的动态和粘弹性属性可以允许或限制dsRNA分子的通过，这取决于它们的特性。例如，Li等人详细描述了具有4 nm水动力半径的小分子，如α-淀粉酶，无法穿透植物细胞壁，而较大的分子如6 nm的右旋糖酐则显示出渗透能力。

在直接和间接途径中，dsRNA的最后障碍是目标细胞的质膜。在植物和真菌中，dsRNA的内化可能由胶质蛋白介导的内吞作用介导，因为这些生物体缺乏昆虫中发现的SID样蛋白。研究已经证明，抑制胶质蛋白介导的内吞作用会减少dsRNA的摄取，而激活这条途径会增加内化。一旦进入细胞，dsRNA必须从内吞囊泡中逃逸到细胞质，这个过程通过质子海绵效应或膜融合等机制得以促进。

为了增强dsRNA的稳定性和传递性，常常采用化学修饰。像2’-O-甲基糖或磷酸酯这样的修饰可以保护dsRNA免受核酸酶的破坏，而阳离子纳米载体则有助于保护dsRNA免受降解并促进其跨越细胞屏障。这些策略对于提高基于RNAi的害虫控制方法的效果至关重要。

除了化学修饰外，使用纳米载体对于实现最佳的RNAi效率至关重要。纳米载体不仅保护dsRNA免受降解，还增强了其传递能力。这就是纳米载体以其多样的结构和性质成为dsRNA传递工具。这些多功能系统可以保护dsRNA免受降解（例如，来自核酸酶或害虫肠道细胞中的高pH值），促进其进入细胞或生物体，并确保控制释放，这些都是RNAi过程中的关键步骤。为了充分利用这些传递系统的潜力，精确的设计和工程是至关重要的。

在这篇综述中，探讨了基于RNA的害虫控制方法，对其效能和限制进行了严格评估，同时揭示了RNAi的潜力。该综述探索深入到了双链RNA（dsRNA）传递的复杂领域，评估了各种dsRNA传递系统的保护和传递优势，并强调了正在进行的研究努力以解决现有的限制。通过阐明当前对dsRNA保护和传递机制的理解，旨在提供关于在农业害虫管理中最大化RNA解决方案效能的挑战的见解。

聚合物系统用于dsRNA的传递

为了解锁RNAi在精确和可持续的害虫管理中的潜力，研究人员已经转向聚合物载体作为高效传递dsRNA分子的工具。近年来，多种聚合物载体已经被专门设计出来以应对dsRNA传递中遇到的无数挑战，包括防止降解、控制释放以及实现对害虫细胞的靶向传递。最具代表性的聚合物系统可以分为两个亚组：聚阳离子和蛋白质，如图3a-d所示。第一亚组包括壳聚糖、胍基聚合物和星形聚阳离子，这些都是天然存在或合成的聚合物，其区别主要在于其主要功能团或排列方式。蛋白质通常由氨基酸（单独或与脂质结合）组成，这有助于与dsRNA和细胞膜摄取的相互作用。尽管存在这些差异，所有聚合物都以具有潜在的阳离子功能团（例如，胺基，胍基）为特征，这些功能团与带负电的RNA磷酸二酯骨架静电相互作用，从而形成稳定的聚电解质复合物（IPECs）。如图3e示意性地表示。这种络合已被证明可以更好地控制粒子大小，并有助于保护dsRNA免受RNase介导的降解，特别是对抗一些害虫中肠中发现的高酸度和核酸酶。

图3：用于dsRNA递送的聚合物载体及其相互作用

在昆虫摄取的情况下，阳离子封装使它们在中性和碱性肠道环境中更稳定，并且比裸露的双链RNA更有效地穿透围食膜基质到达肠细胞。然而，每种纳米载体在目标细胞内化的行为仍有待阐明，至少提出了三种途径。这些途径包括dsRNA分子在细胞外释放后被内化，如观察到的纳米粘土；与一些基于脂质的纳米载体的膜融合并随后扩散dsRNA；以及通过内吞作用，在使用星形聚阳离子的情况下可促进激活凝乳酶介导的内吞。在后一种情况下，需要一个内质体逃逸阶段，其中dsRNA必须从纳米载体和内吞囊泡中释放出来才能到达细胞质。已知有两种主要的内质体逃逸机制：第一种，称为质子海绵效应，是由纳米载体（如聚乙烯亚胺）的质子缓冲能力引发的渗透驱动过程；第二种涉及疏水性纳米载体，如阳离子脂质形成的纳米颗粒，它们识别并与内质体膜上的阴离子磷脂结合，从而破坏内质体稳定并释放dsRNA/siRNA。

在以下的小节中，将回顾最广泛研究的用于dsRNA传递的阳离子聚合物。

壳聚糖

壳聚糖，源自昆虫和甲壳动物壳中的脱乙酰化甲壳素，是一种无毒且可生物降解的生物聚合物。其锚定dsRNA的能力源于生物聚合物的带正电胺基团（-NH³⁺），这些胺基团通过离子相互作用与阴离子磷酸基团的dsRNA，形成纳米颗粒。此外，壳聚糖的pKa值为6.2，使得在中等pH值下能形成稳定的dsRNA复合物，防止昆虫肠道中的化学水解。

例如，在最近的研究中，壳聚糖纳米颗粒（CNPs）- dsRNA复合物（200:1）在pH 7的条件下45分钟内的释放可以忽略不计，表明其对这些条件具有强大的抵抗力。然而，暴露于环境pH值为9-11的条件下超过30分钟会导致dsRNA的释放（≤15％），表明IPECs结构部分降解。壳聚糖对植物叶片表现出出色的粘附性，这对于局部喷雾应用至关重要。例如，CNPs至少可以在鹰嘴豆叶表面保持粘附5天，其中90％的dsRNA紧密绑定到CNPs上长达3天。这种稳定性可以归因于鹰嘴豆叶分泌的有机酸促进壳聚糖质子化状态，从而形成酸性表面（pH < 3）。

如补充数据1所示，CNPs在传递dsRNA以控制各种生物方面已显示出效果。例如，在涉及Aedes aegypti和Chilo suppresses的研究中，CNPs导致了显著的害虫死亡率，范围从45%到100%，时间跨度为7至15天。同样，在另一个实验中，通过喷雾将与乙酰胆碱酯酶（AChE）dsRNA复合的CNPs施用到盆栽植物上，结果导致目标害虫的幼虫体重（1.7倍）和长度（1.6倍）显著减少。这种处理还抑制了蛾的出现，显示出作为H. armigera生物控制的局部喷雾的潜力。有趣的是，在Zhang等人进行的另一项研究中，将与dsRNA复合的CNPs用于沉默Anopheles gambiae幼虫中的几丁质合酶（AgCHS2）基因。当幼虫暴露于除虫脲（DFB）、钙氟白（CF）和二硫苏糖醇（DTT）幼虫杀虫剂时，幼虫体内的几丁质含量减少了约 33.8%，颗粒的死亡率分别约为 80%、70%和 60%。

一种提高CNPs相关击倒效率和害虫死亡率的有前景的策略涉及使用三聚磷酸钠（sTPP）对颗粒进行额外稳定，如Dhandapani等人和Kolge等人所建议。这种稳定是通过引入新的阴离子团来实现的，这也有助于减小颗粒大小。Dhandapani等人的一项研究证明了改性CNPs在dsRNA传递中的有效性，其中功能化的dsIAP-CNP_TPP复合物通过人工喂养引发了超过60%的埃及伊蚊死亡率，而由dsIAP-CNPs引发的只有35%。

壳聚糖的主要缺点包括其对高碱性pH（例如，pH 10–11）的抵抗力差，转染效率低，以及在水中的不溶性。为了解决这些限制，已经探索了壳聚糖的化学修饰。一种有前景的方法涉及添加胍基团，该基团与细胞穿透肽（CPPs）具有结构相似性，增强了其细胞摄取能力。这种修改已成功应用于各种聚合物，我们将在以下部分进一步深入探讨这个话题。

胍基聚合物

胍基聚合物（GNPs）的特征是其聚合链中存在胍基官能团。这个官能团由三个氨基共价键连接到一个中心碳原子上，表现出共振稳定的电荷分布特性。这一特性赋予该官能团高度的碱性，并促进了与细胞膜的特异性双氢键相互作用。类似于壳聚糖，GNPs中的正电荷氨基通过离子键与dsRNA分子的磷酸基团相互作用。然而，与壳聚糖不同，GNPs的高pKa值，为13.6，使它们能够保持IPEC结构的完整性，从而保护dsRNA免受高pH值的影响，如昆虫肠道中的pH值（≥9 pH）。

此外，它们在药物输送方面的出色特性，包括dsRNA的输送，以及抗微生物属性，已经导致各种形式的GNPs被用于治疗和医疗应用。这些配方基于各种材料，包括蛋白质、聚己内酯和壳聚糖，所有这些都表现出优秀的基因传递属性。然而，迄今为止，只有甲基丙烯酸酯基GNP复合物已被验证可用于害虫控制的RNAi。这种偏好是由于甲基丙烯酸酯聚合物展示出的卓越转染效率。

Christiaens等人展示了鸟苷酸复合物稳定性的有力证明。在他们的研究中，由两种共聚物组成的鸟苷酸聚合物，2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）和/或2-(氨基乙基)甲基丙烯酸酯（AEMA），有效地保护了dsRNA免受核酸酶降解长达30小时，即使在鳞翅目昆虫中肠细胞中发现的高碱性pH 11环境中也是如此。这种保护随后促进了增强的细胞摄取。此外，由该聚合物介导的基因传递导致处理过的昆虫死亡率显著提高至53%，而裸露的dsRNA观察到的死亡率仅为16%。

同样，基于N-(3-胍基丙基)甲基丙烯酰胺（GNP_GPMA）单体单元的胍衍生物聚合物已证明其作为害虫控制中dsRNA载体的有效性。与胍基聚合物类似，GPMA表现出高pKa值12.5，表明即使在强碱性环境中形成的IPECs也具有强大的稳定性。这种稳定性源于胍功能团能够与dsRNA的磷酸二酯部分形成多个氢键，从而产生更强的结合力，因此提供了对昆虫肠道内酶降解的重要保护。Parsons等人38证明，由GPMA聚合物传递的dsRNA实现了超过80%的目标基因（sfV-ATPase）被抑制，有效地减少了草地贪夜蛾的营养摄取。此外，摄入这种IPEC配方后，大约60%的幼虫在29天后死亡，这强调了这种新型阳离子聚合物在未来害虫控制应用中的有希望的潜力。

星型聚阳离子聚合物纳米载体

星型聚阳离子（SPc）是一种合成的树枝状大分子，其特点是具有一个疏水核心，通常由季戊四醇组成，周围是一个由含有正电荷胺基团的聚合物组成的亲水性外壳（图4a）。

图4：用于RNA干扰应用中dsRNA和农药共输送的核壳纳米粒子

最常用的构成SPc亲水性外壳的胺化聚合物包括聚乙烯亚胺(PEI)、聚酰胺-胺(PAMAM)和聚(2-N-(二甲氨基乙基)甲基丙烯酸酯)(PDMAEMA)。然而，值得注意的是，PEI的使用受到其高毒性的限制，特别是中等分子量。虽然树枝状大分子如PAMAMs具有良好的转染效率和低细胞毒性，但其合成和纯化过程复杂。另一方面，聚(2-N-(二甲氨基乙基)甲基丙烯酸酯)(PDMAEMA)由于其优异的生物相容性、水溶性和成本效益而成为一种更方便的选择。此外，其单体易于获得，聚合过程可控且可行。

Li等评估了PDMAEMA SPc复合物通过喂食和注射传递方法控制A. ypsilon幼虫的基因转染效率。他们的发现表明，与直接使用dsV-ATPase处理相比，SPc-dsRNA复合物实现了对目标基因（即V-ATPase基因）更有效的敲除。这种基因抑制导致幼虫生长显著受到抑制，人工饲喂比微注射的效果略好。然而，在另一项工作中，相同的合成SPc-pDMAEMA纳米载体通过喷雾供应对棉蚜的死亡率有限，最高为12.5%，可能是由于选择用于RNAi的基因序列。然而，在使用常见的植物源农药吡虫啉后，死亡率显著增加了6倍以上（79.26%）。此外，由于该配方在叶片上的稳定性极高，目标生物后代的生长和发育显著延迟，这进一步强调了该配方的有效性。有趣的是，如补充数据1所示，相同的SPc配方在开发一种通过基因转染对抗大豆蚜虫的喷雾剂方面显示出结果，治疗后3天的死亡率高达80%。添加洗涤剂对于增强dsRNA-SPc的经皮递送至关重要，因为蚜虫的疏水表面可能会排斥亲水的初始配方。Long等人使用SPc基纳米载体通过口服摄取抑制了德国蟑螂Blattella germanica中两个几丁质合酶基因的表达。这种抑制显著地将整体体积减少了约40%，并将含几丁质组织的大小减少了30-60%，与对照组相比。当通过人工喂养给药时，该治疗还在若虫中引发了50-60%的死亡率。然而，蟑螂的厚表皮对纳米载体的渗透构成了障碍，限制了喷雾应用的效果。

基于这些观察，一些作者提出了一种新的方法，即使用SPc纳米载体进行害虫控制，利用其疏水核心来包裹疏水性活性成分，如农药，以实现高效的药物输送，见图4b。Yan等人证明了使用SPc作为农药载体的显著优势，他们展示了用于dsRNA输送的同一配方的SPc也能有效包裹植物源农药，如马钱子碱、D-柠檬烯和除虫菊酯，从而产生出色的害虫控制效果。作者后来通过将这些农药与针对Nrf2基因的dsRNA结合，增强了农药活性，如氯虫苯甲酰胺、阿维菌素苯甲酸酯和斯皮诺托兰，创建了一种多组分纳米农药，有效控制草地贪夜蛾。这种增强归因于农药的水溶性提高以及与SPc复合后粒径减小，导致细胞内化和稳定性增强。同样，基于SPc的共输送系统显著提高了氰烯虫酰胺对桃蛀螟和苹果蚜的控制效果。SPc纳米载体通过输送SPc-发夹RNA改善了GmCaM和CcCaM基因的沉默，激活了杀虫剂受体。这种双重作用方法将苹果蚜和桃蛀螟的存活率分别降低到5%和20%，显著提高了害虫控制效率。

另一个值得注意的例子可以在Li等人的研究中找到，他们开发了一种基于自组装的苦参碱农药/SPc/dsRNA复合物的多组分基因/药物输送系统。在喷洒这种苦参碱/SPc/dsRNA多复合物后，经过7天，优化的害虫消除效果接近90%，而单独使用苦参碱/SPc复合物的效果为77%。重要的是，观察到SPc/dsRNA复合物（无农药）对昆虫死亡率没有显著影响。更多的细节和比较结果可以在补充数据1中找到。

总的来说，Su等人通过修改纳米脂质体与PEI来针对草地贪夜蛾，开发了一种新颖的纳米载体系统。他们的结果显示，抑制Met的基因干扰效率达到了显著的91.7%，该基因是草地贪夜蛾生长和发育的关键调控因子。虽然这种抑制并未直接导致害虫死亡，但它显著地将幼虫期缩短了24小时，导致过早化蛹，对害虫的整体生长和发展产生了负面影响。

蛋白质和肽

细胞穿透肽（CPPs）代表一类短链肽，通常由10-30个氨基酸组成，以其穿越质膜的能力而闻名。用于dsRNA递送的CPPs以其富含碱性残基（特别是赖氨酸和精氨酸）而著称，通过离子键与阴离子核酸（dsRNA）发生相互作用。其中，多聚精氨酸和鱼精蛋白是研究最广泛的害虫控制物质。

Vogel等研究了多种CPPs将dsRNA转运至Schistocerca gregaria中的效果。该研究包括两种内渗性两亲性CPPs (EB1, C6M1)、两种融合性两亲性CPPs (HA2-penetratin和HA2-TAT)以及阳离子型精氨酸寡肽( POA)。其中，EB1、C6M1和POA在离体中肠环境中表现出最佳的结合特性和稳定性；然而，只有dsRNA-EB1复合物得到了进一步的研究。令人惊讶的是，通过饲喂无法诱导dsRNA-EB1复合物的RNAi，这是由于dsRNA-CPP复合物的尺寸过大( >100 µm)，可能阻碍其通过昆虫肠道的围食膜，而这种膜通常允许直径为24–26 nm的分子通过。当通过注射进行dsRNA-CPP给药时，只有包含长dsRNA的复合物显著降低了目标基因的表达或活性。推测较大的复合物可能需要更多的时间来完全消化，从而保持部分稳定性的时间更长。

鱼精蛋白是富含精氨酸的小分子蛋白质，因其稳定性、低毒性和生物相容性而闻名。在Dhandapani等人进行的一项研究中，评估了鱼精蛋白硫酸盐（PS）-脂质纳米颗粒在体内外传递dsRNA的效率。补充数据1中呈现的结果表明，当PS纳米载体与商业阳离子脂质试剂Cellfetin®（CF）结合时，RNAi的效果显著增强，通过人工喂养导致斜纹夜蛾幼虫的死亡率达到50%，相比之下，dsRNA-PS复合物的死亡率约为30%。

图5. 代表性两亲性聚精氨酸基CPP的结构示意图

Avila等人和Carroll等人引入了通过两种分支两亲性肽的自发组装开发的分支两亲性肽胶囊（BAPCs），作为通过体内口服给药进行dsRNA递送的优秀载体，如图5所示。BAPCs的特性克服了其他dsRNA-CPP复合物的缺点，因为它们的平均尺寸范围从70 nm到500 nm，这意味着有效的细胞摄取，并且对蛋白酶和高pH值具有抵抗力。Avila等人报告说，豌豆蚜虫（Acyrthosiphon pisum）从人工液体饮食中摄取dsRNA-BAPC显著加速了害虫的死亡，大约10天，相比之下，未经处理的大约23天。此外，甲壳虫幼虫在固体饲料中含有armet效应蛋白的dsRNA-BAPC复合物后，孵化期间的生存百分比减少了75%。在Carroll等人的最新研究中，dsRNA-BAPC复合物也表现出对Popillia japonica的害虫控制的显著效率，显示出减少的害虫生存率（33%），与单独使用dsRNA的成年害虫生存率60%，在摄取dsRNA-BAPCs后的14天内。一般发现，昆虫肠道内对肽酶攻击的脆弱性大大限制了将CPPs用作dsRNA纳米载体用于害虫控制。

最近，Pal等人报道了使用阳离子聚天冬氨酸衍生聚合物（CPP6）将dsRNA封装并输送到植物细胞中。这种聚合物不仅可生物降解和生物相容，而且在长时间暴露于不同温度和pH值下稳定dsRNAs，保护它们免受RNase A的降解。通过根部或叶面喷雾，CPP6封装的dsRNAs被有效吸收，并且全身运动诱导内源基因沉默。在水稻植物中，针对植物防御的负调节因子SDIR1和SWEET14的叶面喷雾提供了对由Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo)引起的细菌性叶枯病的持久抵抗。值得注意的是，与仅用dsRNA处理的植物相比，SWEET14-dsRNA-CPP6喷雾的植物表现出对细菌性疾病的改善耐受性，并在30天后完全恢复。这表明CPP6从dsRNA中的缓慢释放允许长时间的基因沉默，使其成为可持续作物保护的有希望的策略。这样的纳米制剂也可以用来操纵涉及应激耐受性和防御的植物基因，提供延长的保护窗口并增强作物的可持续性。

战略设计分析

目标害虫的广泛性给开发一种通用的dsRNA传递系统带来了重大挑战。如前几节所述，每种潜在的dsRNA-纳米载体都有其独特的优点和局限性，这些已在表1中总结。虽然这些属性是特定结构固有的并已得到深入研究，但必须认识到，单个害虫表现出不同的生理障碍和环境条件。因此，在制定IPECs时，必须考虑到这些独特的挑战。因此，尽管某些传递系统在特定条件下可能表现出色，但在其他情况下可能会遇到障碍。这强调了需要灵活的解决方案，以满足不同害虫情境的多样化需求。

在这个意义上，我们必须承认并认识到聚合物在此背景下的关键作用。这些多功能材料作为各种dsRNA-纳米载体的支柱，提供了一个平台来定制稳定性、溶解性和与生物系统的兼容性等属性。通过精心选择和修改聚合物，研究人员可以微调dsRNA传递系统的特性，以克服不同害虫和环境条件带来的特定挑战。这种适应性对于解决害虫管理场景的多样化需求至关重要，其中一刀切的方法通常是不切实际的。通过创新的基于聚合物的设计，科学家可以导航复杂的害虫控制景观，并为更有效和可持续的解决方案铺平道路。

除了它们的功能属性外，用于dsRNA-纳米载体的聚合物的安全性和环境影响也至关重要。对于这些系统在农业应用中的可行性，聚合物必须在土壤中可生物降解，能被植物和目标害虫生物同化，并且不能在环境中积累。确保这些材料分解为无毒副产品对于防止长期生态损害至关重要。此外，这些聚合物的安全性超出了它们的环境命运；它们还必须对非目标生物，包括有益昆虫和其他野生动物无毒。

在本综述中讨论的聚合物中，壳聚糖和肽或蛋白质是已经显示出希望的可生物降解聚合物的例子。这些材料在土壤中降解，并因其缺乏生物积累和最小毒性而被认为是安全的，使它们成为开发旨在可持续害虫管理的dsRNA传递系统的理想候选者。相反，像PEI和SPcs（如PAMAMs和PDMAEMA）这样的合成聚合物由于其高毒性和缺乏生物降解性，引发了对其长期环境影响的担忧。因此，在设计基于聚合物的dsRNA-纳米载体时，必须优先考虑那些不仅增强传递效率，而且满足严格安全和环境标准的材料。

此外，正如在审查过程中讨论并在补充数据1中观察到的，实现对不同害虫超过80%死亡率的抑制仍然具有挑战性，一些提出的系统不得不依赖于将dsRNA与传统农药结合作为补充措施。鉴于向更可持续的害虫控制实践过渡的必要性，减少对农药的依赖至关重要。因此，应努力通过精心选择沉默基因并提高颗粒细胞内化和抵抗在前往害虫细胞途中遇到的挑战的能力，来增强RNAi的效果。通过克服这些障碍并改进dsRNA传递系统，我们可以更接近实现基于RNAi的害虫控制作为一种比传统农药更安全、更环保的替代方案的潜力。

确实，我们需要付出重大努力将这些分子从研究阶段转移到市场，并替代对环境有害的农药。将这些解决方案从实验室转移到广泛的商业使用需要克服几个障碍。

首先，关于可扩展性和成本效益。大规模生产dsRNA对于现场应用至关重要，每公顷需要2-10克。传统方法，如体外转录，像在COVID-19 mRNA疫苗中使用的那样，涉及昂贵的成分和复杂的物流，使其不适合大规模使用。此外，实验室使用的体外转录套件的高昂成本，大约每毫克dsRNA 700美元，限制了它们在现场试验应用中的可行性。相比之下，微生物发酵提供了更便宜的替代方案，但产量和纯度较低。认识到需要一个商业上可行的方法，结合高产量和使用廉价原料，GreenLight Biosciences开发了一个无细胞RNA生产平台，通过使用成本效益的材料和酶来解决这些问题，以显著降低的成本生产dsRNA，每克0.50美元，而通过发酵则为每克1美元。

此外，监管批准和公众接受是促进或阻碍采用基于dsRNA的害虫控制策略的关键因素。监管机构需要强大的安全性和有效性数据来批准新的农业产品，而监管环境可能既耗时又资源密集。此外，获取公众对这些创新技术的信任和接受需要透明的沟通、教育和与利益相关者（包括农民、消费者和环保倡导者）的参与。

结论与展望

将dsRNA封装在聚合物纳米载体中，通过精确、定向和环保的害虫管理方式，为推进可持续农业提供了一种有前景的策略。开发有效的dsRNA传递系统至关重要，其中天然壳聚糖聚合物和阳离子肽因其能增强RNAi的稳定性和效能，同时保持有利的环境特性而脱颖而出。这些材料不仅提高了基于RNAi的害虫控制方法的性能，而且可以降解为无毒副产品，最小化其生态影响。

dsRNA纳米载体的多样性和多功能性带来了独特的优势和必须解决的挑战。鉴于各种害虫及其不同的生理特性，需要定制的方法来解决不同害虫管理场景的各种需求。尽管这些系统的开发仍处于初级阶段，但仍存在几个关键挑战，包括dsRNA生产的可扩展性和成本效益，优化实际田间应用的传递方法，以及监管批准流程的复杂性。

要将基于dsRNA的生物防治从研究过渡到广泛的商业化，必须克服这些挑战，最终目标是替代对环境有害的农药。持续创新和完善dsRNA传递系统将是实现更安全、更可持续的害虫控制解决方案的关键，这些解决方案将提高农业生产力，同时保护环境健康。

此外，正在进行的研究工作集中在解决dsRNA-纳米载体技术领域的关键限制。未来的研究应评估长期生态影响，评估对非目标生物的潜在非目标效应，并优化传递方法以确保一致和可靠的害虫控制结果。通过应对这些挑战并促进持续创新，dsRNA-纳米载体系统作为传统农药的可持续替代品具有重大潜力，为更环保、更有韧性的农业实践铺平了道路。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53468-y