Nature评述，细胞来源的纳米颗粒是否会取代合成的纳米颗粒？
NanoLabs
2021-01-21
自20世纪90年代以来，合成纳米颗粒被广泛应用于临床药物递送，纳米递送策略可以改善治疗药物在体内的空间和时间分布，从而减少副作用和或提高治疗效果。通过优化纳米载体的尺寸、形状和表面性质，已经实现了更好的递送。然而，复杂的分子靶向策略在临床试验中屡屡失败；例如，BIND-014，一种具有表面配体的聚合物纳米颗粒，它与富含肿瘤的前列腺特异性膜抗原（PSMA）结合。配体靶向纳米给药方法的临床失败部分归因于纳米颗粒与生物环境之间的复杂相互作用，包括形成一种蛋白质冠，可以掩盖表面配体并触发免疫识别。这种相互作用在临床前研究中可能并不明显，因为人和动物模型之间蛋白质冠的主要成分（例如补体蛋白）存在很大差异。此外，配体的类型、取向、密度和表面图案对于优化递送和与靶向分子的结合至关重要。因此，计算工具往往是必要的，以了解设计参数如何影响纳米生物相互作用。市场上的大多数纳米药物都是简单的脂质体，由多达两种治疗剂和多达四种脂质或类脂化合物组成，形成一个球形双层。尽管脂质体在临床上被用于递送各种各样的治疗剂，包括小分子、肽和RNA，但是要实现纳米递送改善患者预后的真正潜力，还需要实施更复杂的多功能设计。药物递送系统的优化设计可能需要与生物环境相似的复杂程度，以便成功地穿过生物屏障。然而，目前尚不确定在合成纳米给药系统中成功整合多个功能成分是否能与具有成本效益和时间效益的临床级制造工艺兼容。那么，如何能实现纳米颗粒多功能化又极具有临床潜力呢？近日，Nature Reviews Materials杂志发表了一篇评述文，讨论了合成纳米颗粒和细胞外囊泡用于药物递送的对比，细胞外囊泡结合自身优势，有望成为纳米医学的一个临床突破点。细胞外囊泡（EVs）是原核和真核细胞释放的天然纳米颗粒。EVs的大小，形状和结构类似于脂质体，但具有更复杂的双层结构，包含多达数百种不同的脂质、蛋白质和碳水化合物类型，以及内部货物和与表面相关的分子。在各种病理生理过程中，EVs在短距离和长距离的细胞间通讯中起着重要作用。EVs将生物分子运输到受体细胞的能力使其在药物递送方面具有吸引力。EVs可从培养细胞的条件培养基或生物组织或体液中获得，并且各种方法（例如电穿孔，挤压和超声处理）已用于将治疗剂装载到EV中。通过开发用于体内分子货物运输的EVs结构的进化选择，可以绕开纳米医学的多个设计和制造挑战。然而，由于EV的分离和特性的挑战，EVs在药物传递方面的潜力仍然不确定，这阻碍了基础研究和转化研究。特别是EV类型之间的异质性以及其他具有重叠特性的生物纳米颗粒的存在使得EV的分离变得困难。此外，在生物相容性和靶向给药方面，在过早地将EVs描绘成优于合成纳米颗粒的药物载体时应谨慎。图|游离药物、临床认可的合成纳米颗粒和细胞外囊泡的特征纳米医学的挑战是巨噬细胞介导的合成纳米颗粒从循环中的肝快速清除。纳米载体在肝脏中的螯合阻碍了特定部位的递送机制，例如基于大小和形状的纳米载体靶向肿瘤。许多临床上认可的合成纳米颗粒已经用聚乙二醇（PEG）进行了功能化，从而减少了巨噬细胞的摄取，并将循环半衰期从数小时延长至数天。PEG的使用也有一些缺点，并且基于EV的药物递送已经被提出作为一种替代策略，以避免由于载体的固有性质而引起的免疫清除。然而，多项研究表明，全身注射的EV也会快速被肝脏清除，其循环半衰期只有几分钟。EV的分离、载药和标记过程可能使EV更容易被巨噬细胞快速摄取。然而，一项对EV报告小鼠的研究表明，心脏EV主要在胸腺、睾丸、肺和肾脏中积聚，肝脏吸收较少，这表明在体内形成的天然EV可能经历较少的肝脏清除。此外，EV的生物发生、细胞来源和生物分子组成对药物动力学的影响尚不清楚。某些EV类型可能具有优越的循环半衰期和或超过肝脏清除率的位点特异性靶向机制。在适当的EV分离、鉴定和表征方面的实验设计对于评估EVs作为药物载体的潜力至关重要。与合成纳米颗粒的直接比较常常被忽略；然而，这将允许在药物毒性和疗效方面确定EV递送的益处。除了可能优于合成载体的生物分布特征外，基于EV的药物递送还有另一个好处：利用细胞过程进行药物装载和表面修饰的可能性。细胞可以通过基因工程来表达和包装基于蛋白质和RNA的治疗剂和或靶向配体。利用细胞机械进行药物装载和EV表面修饰是有利的，因为RNA和蛋白质在纳米粒子合成过程中可能降解或受损。此外，EV内吞途径或与受体细胞膜的融合事件可促进细胞内递送，即将治疗剂靶向特定的细胞内隔室或细胞器。在最近的一项研究中，通过基因工程使细胞在EVs中富集特异性小干扰RNA（siRNAs），与合成脂质纳米载体相比，将siRNA的功能性传递给小鼠的效果提高了10倍以上。EV载体的优势在于siRNA能够逃逸溶酶体并定位于细胞质。值得注意的是，siRNA介导的敲除效率取决于EV来源和受体细胞类型。一些细胞类型，如常驻巨噬细胞，积累了高水平的EV递送siRNA，但显示出最小的靶基因敲除。这些结果表明，就生物分布和细胞内递送而言，必须考虑EV异质性。图自Nature BME(10.1038/s41551-019-0514-0)纳米药物通常比游离药物产生更少的副作用，这是因为健康组织较少接触治疗剂，并且不需要有毒赋形剂溶解非水溶性小分子。事实上，一些纳米药物已经获得了基于同等疗效，但与自由给药的小分子药物相比，安全性有所提高的临床批准。然而，临床上批准的含有PEG的纳米颗粒可以激活补体系统，在极少数情况下，会导致危及生命的超敏反应，通常可以通过降低输注速率来缓解这种反应。以EV为基础的治疗方法尚未获得临床认可，但早期临床试验已经评估了自体树突状细胞衍生EV用于癌症免疫治疗和同种间充质干细胞衍生EV用于再生和抗炎应用的效果。这些试验中的大多数报告了轻度到中度的副作用，一般认为EV给药是安全的。同种异体的EV被认为是一种风险，因为它们可能引起受体的免疫反应。然而，血液和血浆中也含有高浓度的EVs（估计高达1010 EVs/ml），这些EVs从体内所有类型的细胞释放到循环中。事实上，血浆和输血很少引起不良免疫反应，这表明同种异体EV不太可能存在安全风险。然而，与自体EV相比，同种异体EVs的一个缺点可能是加速肝脏清除。此外，虽然临床试验的初步安全性结果是有希望的，但内源性药物很难在不破坏EV结构的情况下清除，可能会引发不必要的影响。然而，内源性货物也可能有助于添加剂或协同效应，特别是如果EVs是从细胞显示治疗性能，如间充质干细胞。图自Adv. Drug Deliv. Rev. 159, 332–343 (2020).目前，有50多种临床批准的纳米药物，它们都是基于包含少量成分的简单设计。合成更复杂的纳米颗粒，类似于具有数百种功能成分的生物结构，不太可能与大规模的临床级制造兼容。EVs是实现多功能药物载体潜力的一种很有前途的选择。除了确定具有良好递送性能的EVs外，还需要克服制造和扩大规模方面的挑战，包括细胞培养的变异性。永生化细胞系的使用可以最大限度地减少变异性，但可能会带来安全问题，因为永生化试剂可能会加载到EVs。血小板和红细胞可能特别适合作为EV模拟物的来源，因为它们缺乏核物质，而核物质可能是免疫系统的危险信号。然而，与条件细胞培养基相比，EVs的成分更为复杂，因此从体液和组织中分离EVs具有挑战性。对于某些应用，可能不需要高纯度的EV制剂，如果去除辅因子，疗效甚至可能下降。还有，只要预先确定的物理化学和效价试验验证批次间的一致性和有效性，其他生物成分的存在不一定是监管障碍。临床试验中常用超速离心（包括差速离心和密度离心）和切向流滤分离治疗性ev。然而，大多数以EV为基础的临床试验只涉及少数参与者，超速离心可能无法用于更大规模的研究和商业生产。此外，基于超速离心的过程可能导致EV损伤和聚集。切向流过滤与大规模生产相兼容，在保持EV结构的同时，实现了体积减小和部分净化。纯化后，EVs可以通过装载治疗剂（临床级方案已被报道）或以“两全其美”的方法与合成纳米颗粒融合来进一步工程化。大多数临床试验使用生理盐水或蔗糖冷冻保护剂缓冲液在-80°C下储存EV。或者，冻干可能适用于某些EV货物和功能，并允许简化储存、分配和护理点重建。合成纳米医学和EV领域之间合作的增加，可能会推动新兴EV生物学与数十年来在合成药物递送的临床失败和成功方面的专业知识的成功整合。Witwer, K.W., Wolfram, J. Extracellular vesicles versus synthetic nanoparticles for drug delivery. Nat Rev Mater (2021). https://doi.org/10.1038/s41578-020-00277-6
