仿生納米材料在治療炎癥相關性疾病中的研究進展*

馮華國,代國華,李 斌 綜述,龔建平,魯 靈△ 校審

(1.重慶市江津中心醫院肝膽外科 402260；2.重慶市江津中心醫院腎內科 402260;3.重慶醫科大學附屬第二醫院肝膽外科 400010)

納米材料是指單個單元尺寸在1～1 000納米的材料，在幾乎所有的領域都廣泛研究和應用[1]。在生物醫學領域，納米粒主要體現了其載藥性、靶向性及成像性等優點，但不同納米粒表現出的細胞毒性作用、免疫原性反應及靶向性差等缺點限制了納米材料在臨床上的廣泛應用[2-3]。仿生型納米材料是由仿生材料和納米材料組成，通過將仿生材料(如細胞膜、脂蛋白、病毒或細菌等)與納米粒進行特殊的整合，形成具有一定生物特性的仿生型納米粒，通過這種方式合成的仿生納米粒不僅有效降低了原納米粒對細胞的毒性作用和免疫原性作用，同時提高了納米粒的組織相容性和生物靶向性等特點，進而實現對疾病更好地診療[3-5]。炎癥是機體最常見的病理過程，是免疫細胞參與的機體組織對損傷因子做出的防御性反應[6]。炎癥相關性疾病可以分為急性炎癥性疾病和慢性炎癥性疾病。急性炎癥性疾?。喝鐒搨?、感染和急性免疫排斥反應等；慢性炎癥性疾?。喝鐒用}粥樣硬化癥、關節炎和腫瘤免疫等[7-8]。普通納米材料和仿生型納米材料在腫瘤中的應用研究一直是納米材料研究的焦點[9]。近年來，仿生型納米材料在除腫瘤外的炎癥和炎癥相關性疾病中的應用研究也成為研究的熱點并取得了許多進展[10]，現綜述如下。

1 仿生納米材料與膿毒血癥

革蘭陰性菌感染及多重耐藥病菌感染引發的重癥感染是臨床棘手的病癥，每年因這些病菌感染并發內毒素休克死亡的病例高居不下[11]。內毒素是革蘭陰性菌細胞壁的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)成分，革蘭陰性菌在血液中繁殖時，大量LPS通過與機體巨噬細胞膜上Toll樣受體4(toll receptor 4,TLR4)結合，使巨噬細胞被過度激活，產生大量包括腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素(IL-)6和IL-1β在內的炎性因子，引起多器官功能損傷和衰竭，是臨床膿毒血癥致死的主要原因[11-12]。此外，在大量LPS持續刺激下，機體免疫細胞在免疫早期經過免疫過度激活后會出現免疫細胞大量凋亡而使免疫系統處于功能衰竭的狀態，此時患者容易繼發二次感染或多重感染，這也是導致晚期膿毒血癥患者死亡的主要原因[13]。THAMPHIWATANA等[14]通過提取J774小鼠巨噬細胞，通過低滲溶解、機械破壞和差速離心的方式得到純化后的巨噬細胞膜，用超聲將巨噬細胞膜變成膜囊泡，再與PLGA納米粒子合成巨噬細胞膜包被的納米粒(MΦ-NPs)。通過檢測發現得到的MΦ-NPs的表面具有活性良好的LPS結合位點，如CD126，CD14和TLR4，此外，合成的MΦ-NPs具有在血液中循環時間長、機體殘留率低和低毒性等特點。通過腹腔注射LPS的方式構建小鼠膿毒血癥模型，將MΦ-NPs通過尾靜脈注入小鼠體內，發現與單純膿毒癥小鼠比較，MΦ-NPs組小鼠總的生存率提高，血清中炎癥因子IL-6、TNF-α和IFN-γ的水平更低，其具體分子機制是MΦ-NPs表面膜的活性成分，尤其是TLR4，通過中和膿毒血癥小鼠血清中LPS，降低血清中游離LPS水平，減少機體免疫細胞的過度激活，通過減輕炎癥因子的釋放，緩解LPS誘導的小鼠膿毒血癥。通過類似的原理，WU等[15]將提取的中性粒細胞膜制成膜囊泡，與可回收的高分子納米粒制成中性粒細胞膜包被的納米粒(PEG-Mac@NPs)，PEG-Mac@NPs通過中和LPS，抑制LPS介導的巨噬細胞一氧化氮(nitric oxide,NO)的產生、環氧化酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,INOS)的表達，從而減輕LPS誘導的小鼠膿毒血癥的炎癥程度，提高膿毒癥小鼠的生存率。

2 仿生納米材料與器官移植耐受

器官移植通常是患者面臨終末期器官疾病唯一的治療希望。移植排斥反應及炎性損傷(如缺血再灌注損傷)是器官移植失敗的重要原因[16]。就移植排斥反應而言，受體免疫系統對供體器官或組織內的抗原進行識別，發起針對移植物的攻擊、破壞和清除是移植排斥反應的基本原理，如果能實現受體對供體器官組織移植耐受，將是最理想的狀態。為了達到這種理想狀態，HLAVATY等[17]提取了CD4+T細胞抗原肽Dby和CD8+T細胞抗原肽Uty，這兩種抗原肽是誘導移植排斥反應常見的抗原，將兩種抗原肽分別與PLG納米粒進行偶聯，制備抗原肽偶聯的納米粒(Dby-PLG和Uty-PLG)，在小鼠進行骨髓移植前7 d將Dby-PLG或Uty-PLG注入受體小鼠體內，7 d后進行小鼠骨髓移植，發現預注射Dby-PLG和Uty-PLG的小鼠在進行骨髓移植后存活時間更長，說明用供體小鼠的抗原肽與納米粒合成的Dby-PLG和Uty-PLG實現了受體與供體間的移植耐受。類似的研究在肝臟移植和皮膚移植中也取得一定進展。在肝移植缺血再灌注損傷方面，筆者課題組通過提取巨噬細胞的細胞膜與PLGA納米粒合成巨噬細胞膜包被的納米粒(M-NPs)，得到的M-NPs不僅具有細胞膜的生物學特性[18]，同時也具有NPs藥物遞送功能，在肝移植前將M-NPs通過尾靜脈注射的方式注入大鼠體內，再進行大鼠肝移植，發現M-NPs明顯減輕肝移植術后大鼠的肝臟損傷，血清中炎癥因子TNF-α等水平降低，同時顯著提高了移植術后大鼠的生存時間。其分子機制是M-NPs上含有大量的TLR4受體，通過與LPS結合，減輕肝移植術后大鼠血清中LPS水平，通過減少LPS介導的巨噬細胞炎癥因子釋放，緩解肝移植術后大鼠缺血再灌注損傷。此外，通過過表達TLR4的質粒體外過表達巨噬細胞膜TLR4受體，再合成TLR4+-M-NPs，重復上述實驗，發現與M-NPs相比，TLR4+-M-NPs可以更好地緩解肝移植術后肝臟缺血再灌注損傷，實現肝移植術后移植耐受[18]。

3 仿生納米材料與關節炎

關節炎是一種慢性炎癥相關性疾病，是臨床上致畸致殘的常見原因[19]。抗細胞因子生物制劑的臨床應用雖然許多研究取得了一定進展，但是對關節炎的治療效果仍然不佳，尤其是對類風濕性關節炎的應答率較低。目前仿生型納米材料也應用到對關節炎的治療。ZHANG等[20]通過提取人外周血中性粒細胞的細胞膜，將中性粒細胞膜包被到PLGA納米粒上制備中性粒細胞膜包被的納米粒(neutrophil-NPs)，合成的neutrophil-NPs繼承了細胞外膜的抗原和相關的膜功能，在小鼠關節炎模型中，neutrophil-NPs通過減輕損傷部位炎癥因子釋放改善了關節損傷的嚴重程度，展示了一種基于仿生型納米粒治療類風濕性關節炎的策略。GIANNINI等[21]通過細胞松弛素B(cytochalasin B,CB)刺激巨噬細胞膜來源的微泡(macrophage-derived microvesicle,MMV)，將MMV包被在PLGA納米粒上形成微泡包被的納米粒(MNP)，形成的MNP同時具有巨噬細胞的生物功能和納米粒的遞送功能。在類風濕關節炎模型中，MNP顯著增強了納米粒的靶向性，而Mac-1和CD44是MNP顯著靶向作用的原因之一，通過MNP運載他克莫司可以顯著改善小鼠關節炎，說明MNP是一種高效的仿生載體。糖皮質激素是治療類風濕性關節炎的常用藥，但是靶向性差和毒副作用強等特點較為突出。YAN等[22]通過提取RAW264.7細胞外泌體(exosomes,Exo)，用外泌體包裹地塞米松(dexamethasone,Dex)，接著用葉酸(FA)-聚乙二醇(PEG)-膽固醇(Chol)化合物(FPC)修飾，合成外泌體包裹的地塞米松納米顆粒(FPC-Exo/Dex)，得到的FPC-Exo/Dex在體外可顯著抑制巨噬細胞炎癥因子的分泌，在小鼠關節炎模型中，與單純應用糖皮質激素比較，FPC-Exo/Dex展現出了高度靶向性、低毒性和良好的組織相容性特點，可以更好地減輕炎癥因子分泌，改善小鼠關節損傷。

4 仿生納米材料與心血管疾病

心血管疾病是威脅人類生命的嚴重疾病，是世界范圍內的主要死亡原因之一[23]。常見的心血管疾病如動脈粥樣硬化癥和心臟瓣膜病等都是肥胖、自身免疫性疾病和感染性疾病等導致的慢性全身炎癥性疾病，通過誘導內皮黏附分子和趨化因子的表達，從而促進心血管疾病的發生發展[24]。仿生納米材料目前也應用在心血管疾病的防治研究中[25]。HU等[26]通過將紅細胞膜包被的藥物納米粒與人工心臟瓣膜相交聯，得到的新型仿生瓣膜不僅降低了戊二醛對心臟瓣膜的毒性作用，也大大提高了人工生物心臟瓣膜的組織相容性、抗炎及抗凝血等功能。GAO等[27]、WANG等[28]通過制備活性氧反應性納米粒(ROS responsive NPs)，再用提取的巨噬細胞膜包被活性氧反應性納米粒，得到的巨噬細胞膜包被的活性氧反應性納米粒不僅有效逃避了被機體網狀內皮細胞清除，同時也促進了納米粒對炎癥部位的靶向性，實現藥物在炎癥部位的緩釋，降低活性氧的產生，在小鼠動脈粥樣硬化模型中，這種仿生納米材料顯示出了優越的治療效果。通過類似的方法，BOADA等[29]將雷帕霉素負載在納米粒上，再用巨噬細胞膜對納米粒進行包被，與單純雷帕霉素負載的納米粒比較，得到的新型載藥仿生納米材料提高了藥物的組織相容性和緩釋效率，在高脂飲食誘導的小鼠血管炎模型中，這種新型載藥仿生納米粒更好地緩解了小鼠的血管炎癥和臟器損傷。

5 仿生納米材料與新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)

COVID-19是目前仍在肆虐全球的公共衛生性疾病，病理生理學的研究表明，病毒引起的細胞因子釋放綜合征是導致死亡的主要原因[30]。COVID-19重癥感染患者出現全身過度炎性反應，可導致肺部和多器官損傷。ZHANG等[31]研制了一種細胞納米海綿，這種細胞納米海綿主要影響宿主細胞，而不是針對病原體，這是因為COVID-19的傳染性依賴于它與目標細胞上已知或未知的蛋白受體結合發揮作用。細胞納米海綿主要由人類細胞來源的膜構成，這些膜來自COVID-19自然靶向的細胞(如人肺上皮細胞和巨噬細胞)。通過斑菌減少中和實驗探討細胞納米海綿對COVID-19感染能力的影響，發現巨噬細胞來源的細胞納米海綿不僅可以在早期中和COVID-19病毒活性，以減少體內的病毒載量，甚至在疾病晚期也可以中和病毒活性，并能夠解決與COVID-19相關的暴發性炎癥?？紤]到巨噬細胞在免疫系統中發揮的核心作用，這種仿生納米粒的應用范圍不僅限于COVID-19等感染，而且可能在治療膿毒癥等炎癥性疾病和其他自身免疫性疾病方面發揮重要作用。

6 仿生納米材料與其他炎癥相關性疾病

仿生納米材料除了應用在上述疾病中外，在其他炎癥相關性疾病中的研究也較多。比如炎癥性腸病、創傷等。CORBO等[32]在純化的白細胞中誘導整合素α4β7的表達，再制備白細胞膜包被的納米粒，通過這種方法獲得的納米粒可以顯著減輕葡聚糖硫酸鈉誘導的小鼠炎性腸病，減少免疫細胞浸潤結腸組織，從而減輕炎癥因子的釋放，并促進腸道修復。TIBONI等[33]將人單核細胞系THP-1細胞的細胞膜整合到納米脂質體(DOPG)上合成仿生納米材料，再將黑刺李提取物(PSF)整合到這種納米材料中，合成新型載藥仿生納米材料(PSF-DOPGs)。與單純的PSF比較，合成的這種PSF-DOPGs在體外不僅具有更強的抗炎作用，還可更好促進傷口愈合。

7 結 語

仿生納米醫學的研究尚處于起步階段，將炎癥靶向的仿生納米粒應用于臨床還有很長一段路要走。仿生納米粒的靶向性、對配體的高親和性、體內循環性以及細胞毒性等問題都有待進一步優化。目前研究最多的是細胞膜包被的納米粒，使用特殊的細胞膜(如活化細胞和基因工程細胞) 結合不同膜特有的功能可進一步提高藥物和納米粒的功能。對于用細胞膜蛋白設計的脂質體，用不同來源純化的膜蛋白修飾將產生不同的仿生脂質體。此外，利用特殊技術在蛋白純化過程中消耗人白細胞抗原和其他血型抗原，將有助于進一步增強其在炎癥靶向中的應用。目前仿生納米粒子，尤其是細胞膜包裹納米粒子和細胞膜蛋白修飾的脂質體是較新的研究方向，筆者相信炎癥靶向仿生納米粒子將在納米醫學領域具有廣闊的應用前景。