关于纳米药物的设计，又一篇Nature Nanotechnology！

奇物论

2021-12-01

急性肺损伤 (ALI) 及其更致命的形式急性呼吸窘迫综合征 (ARDS) 是危及生命的呼吸衰竭形式，发病率和死亡率都很高。ALI/ARDS可由肺炎、胃内容物吸入、败血症和其他病因引起。ARDS 是新冠病毒(SARS-CoV-2) 感染的常见并发症，其发生率在新冠的非幸存者中接近 90%。尽管 ARDS 很严重，但没有有效的药物治疗。吸入一氧化氮、糖皮质激素和 β-激动剂已用于ARDS治疗试验；它们要么只是暂时改善症状，不能降低死亡率，要么对其他器官产生不良影响。迄今为止，机械通气是提高 ARDS 患者生存率的一线治疗方法。

在循环白细胞中，中性粒细胞占比最多，它是急性炎症期间先天免疫系统的前线反应者。在发炎的肺中，肺驻留细胞（例如巨噬细胞）会分泌各种趋化因子，例如 CXCL8（白细胞介素 8）、CCL2和 CCL7，这些趋化因子将中性粒细胞和单核细胞启动并募集到肺部。中性粒细胞浸润到肺的血管外隔室是 ALI/ARDS 的明确标志。活化的中性粒细胞会释放中性粒细胞胞外陷阱、氧化剂和蛋白酶，从而加重肺损伤。这种有毒介质会破坏肺上皮和内皮细胞膜，导致富含蛋白质的水肿流入肺泡和间质空间以及动脉低氧血症。因此，治疗ALI/ARDS的理想策略将限制中性粒细胞的激活和募集，同时防止肺水肿和功能丧失。

纳米粒子是医学中的通用工具，在基因治疗和免疫治疗中发挥作用，并且可以设计为以选择性方式与靶细胞相互作用。先前为了将纳米粒子引导至中性粒细胞，科学家们尝试探索了结合抗体、改变粒子组成或微调理化特性。

成果简介

近日，宾夕法尼亚大学JacobS. Brenner等人通过筛选了一组不同的纳米颗粒，以确定诱导炎症肺边缘的中性粒细胞选择性摄取纳米颗粒的新设计标准。成果发表在Nature Nanotechnology上。

图|中性粒细胞的摄取并趋向发炎的肺部

具有凝集蛋白的纳米颗粒

研究人员对由 23 种纳米颗粒制剂组成的文库进行的体内筛选表明，在ALI/ARDS 动物模型中，选定的纳米颗粒优先积聚在肺部。这种纳米颗粒在肺部的积累是由其表面存在的“凝集”蛋白质、蛋白质的超分子排列所驱动的，这些蛋白质由疏水相互作用、蛋白质的特异性交联或静电相互作用引起。作者将这些纳米颗粒称为“具有凝集蛋白的纳米颗粒(NAPs)”。

NAPs显示出在发炎的肺中积聚的倾向，与它们的大小、zeta电位和蛋白质组成无关。这种特征性的生物分布是由于响应炎症而迁移到肺部的嗜中性粒细胞中纳米颗粒的优先摄取所致。相比之下，与未感染的肺相比，具有对称或规则排列的纳米结构（例如，病毒衣壳和铁蛋白纳米笼）、非蛋白质纳米颗粒（例如，脂质体和聚苯乙烯纳米颗粒）和游离蛋白质在炎症肺中没有显示出选择性积累。作者进一步表明，补体蛋白 C3 和 C5 调理 NAPs，促进中性粒细胞的摄取。缺乏凝集的纳米颗粒与C3和C5几乎没有相互作用，这表明补体调理作用是NAPs中性粒细胞趋向性的主要途径。

图|筛选不同肺模型中不同的 NP 生物分布

对炎症具有特异性

研究人员进一步提供了NAPs在 ALI/ARDS 诊断中的转化应用。CT成像可检测肺水肿，是 ARDS 的标准诊断工具。然而，它很难将ALI/ARDS与非炎症性心源性肺水肿 (CPE) 区分开来，尤其是在疾病的早期阶段。在SPECT/CT成像中，放射性标记的溶菌酶葡聚糖纳米凝胶（NAPs的原型）不会在CPE小鼠模型的肺中积聚，但会在ALI/ARDS小鼠模型的肺中积聚，证实NAPs对炎症的特异性。此外，作者证明离体灌注到发炎的人肺的纳米凝胶比铁蛋白纳米笼的保留时间更长，支持了NAPs对人肺中的中性粒细胞趋向性。

图|SPECT 成像

功能化脂质体具有治疗效益

重要的是，脂质体是一种非蛋白质纳米颗粒，可以通过结合凝集蛋白（即用二苯并环辛炔 (DBCO) 功能化的IgG），从而使其具有中性粒细胞的趋向性。当与IgG的摩尔比为20:1时，DBCO提供具有足够疏水性的免疫脂质体，以模拟NAPs和中性粒细胞的趋向性。此外，不含任何药物的DBCO(20×)-IgG 脂质体似乎通过减少中性粒细胞向发炎肺的募集以及蛋白质和白细胞外渗到肺泡空间来缓解 ALI/ARDS 的进程。尽管 DBCO(20×)-IgG 脂质体治疗效果的潜在机制尚不清楚，作者表明脂质体以剂量依赖性方式降低趋化因子（CXCL2和IL-6）的水平。

图|脂质体表面化学工程在 LPS 发炎的肺中具有类似 NAP 的行为

总结与展望

无数纳米结构的灵感来自自然界中的超分子组装；尽管如此，对生物系统如何与超分子排列相互作用的机制理解仍然有限。在这方面，该研究是一个令人兴奋的发现，为医疗应用的超分子组装提供了新的见解。纳米结构上的凝集蛋白和补体蛋白之间的相互作用提高了免疫治疗新方法的潜力。

然而，该研究仍存在几个重要的问题。

1）首先，DBCO(20×)-IgG脂质体的抗炎作用仍有待确定，而其他NAPs却没有显示治疗益处。

2）其次，NAPs和DBCO(20×)-IgG脂质体的诊断和或治疗功效需要在各种 ALI/ARDS 动物模型中进行彻底验证。

3）最后，为了概括蛋白质凝集的概念，需要继续努力通过交联和静电相互作用在其他纳米结构中提供类似NAPs的特性。

尽管如此，这一变革性的发现为基于纳米颗粒的炎症诊断和治疗开辟了新途径。

参考文献：

1. Myerson, J.W., Patel,P.N., Rubey, K.M. et al. Supramolecular arrangement of protein in nanoparticlestructures predicts nanoparticle tropism for neutrophils in acute lunginflammation. Nat. Nanotechnol. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00997-y

2. Kim, J., Sahay, G.Nanomedicine hitchhikes on neutrophils to the inflamed lung. Nat. Nanotechnol.(2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00981-6