仿生两性离子胶束:用于高效穿透黏液并靶向急性肺损伤患者的肺部

【字体: 时间:2026年03月13日 来源:Acta Biomaterialia 9.6

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  肺表面活性剂模拟的微胶粒D-PCB30通过伪装和润滑策略克服粘液清除和巨噬细胞吞噬,显著提高肺部药物沉积与抗炎效果。

  
戴向荣|廖毅|陈蓉|金轩翔|董佳佳|谭颖|金旭如
温州医科大学研究生培训基地联盟,中国温州325000

摘要

雾化吸入是一种具有吸引力的肺部药物递送方法,因为它具有无创性和直接靶向肺部的能力。然而,传统吸入制剂的疗效受到其无法同时避开黏液纤毛清除和巨噬细胞吞噬作用的限制,导致肺部滞留效果不佳和生物利用度低。为了解决这些问题,开发了一系列超小的两性离子“伪装”胶束——二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(DSPE)嵌段聚(N-甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲胺-α-N-甲基羧基甜菜碱)(CB)(D-PCBn),以结合仿生靶向性和增强的黏膜渗透性。这些胶束的核心结构基于二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)设计,后者是一种关键的肺部表面活性脂质,可实现仿生性的肺泡靶向。同时,源自羧基甜菜碱的冠层有助于通过水合作用实现表面润滑,从而有效穿透黏液。在一系列化合物中,优化的D-PCB30表现出更强的黏液渗透能力、增强的肺部沉积效果以及较高的地塞米松包封效率。在小鼠模型中的体内评估显示,该胶束显著提高了肺部积累量、延长了滞留时间、减少了全身分布,并增强了抗炎效果。转录组分析进一步表明,这些胶束能够调节关键的炎症途径并改变巨噬细胞的极化类型(从M1型向M2型转变),证实了它们通过增强屏障渗透性所带来的治疗效果。

重要性声明

将治疗药物递送到受损的肺部受到黏液屏障、快速清除和免疫隔离的阻碍。在这里,我们描述了一种超小的仿生两性离子胶束D-PCBMAn(D-PCB30),它结合了类似DPPC的DSPE核心和羧基甜菜碱冠层,形成了一个“伪装和润滑”的纳米平台。D-PCB30具有较低的临界胶束浓度(CMC)、高药物负载能力,并且在雾化过程中保持稳定,能够深入黏液层,减少巨噬细胞的摄取,并在肺部持续滞留。当装载地塞米松(DEX)并通过雾化给药时,D-PCB30可以增加局部药物沉积,同时减少全身暴露,从而有效减轻LPS引起的炎症,保护肺泡结构,并减少纤维化改变。机制研究表明,它抑制了TLR/MyD88/NF-κB炎症通路,并诱导组织修复程序,同时使巨噬细胞极化类型向修复型转变。凭借良好的生物安全性和减轻的类固醇副作用,D-PCB30成为一种有前景的吸入纳米平台,可用于针对性治疗肺部疾病。

引言

雾化吸入在肺部药物递送方面具有显著的优势,包括直接靶向肺部、快速起效和降低全身毒性。然而,吸入治疗药物的疗效受到肺部固有屏障的严重影响,如黏液纤毛清除系统、肺部表面活性物质的吸附以及肺泡巨噬细胞的吞噬作用[[1], [2], [3], [4], [5]]。在急性肺损伤(ALI)等炎症状态下,这些清除机制会加剧,其特征是免疫反应增强和黏液分泌过多[[6], [7], [8], [9], [10]]。目前,ALI的临床治疗选择仍然有限。例如,机械通气可以维持气体交换并暂时缓解呼吸衰竭,但无法根本修复肺组织损伤。当存在感染性病因时,抗菌治疗有效,但对于非感染性因素引起的ALI效果有限。吸入性肺血管扩张剂,如吸入一氧化氮或气雾化前列环素,也无法直接作用于受损的肺组织,从而无法显著提高局部药物递送效果[11]。因此,先进的纳米粒子工程已成为克服这些屏障并改善治疗效果的关键策略[12,13]。
当前的吸入纳米载体采用了多种功能化设计策略来克服呼吸道屏障[14,15],包括结构优化以实现可控的气动行为和肺泡沉积、表面PEG化以减少黏液附着并增强黏液渗透性,以及仿生磷脂涂层以避开巨噬细胞清除并延长肺部滞留时间[[16], [17], [18]]。然而,这些系统仍面临毒性和生物降解性的挑战。例如,某些聚合物可能引发炎症反应,而缓慢降解的材料则存在脱靶积累的风险[[19], [20], [21], [22]]。因此,开发具有生物相容性、低毒性的纳米载体,能够有效穿越黏液屏障、穿透黏液层并实现靶向肺泡递送,仍然是肺部药物递送中的一个关键挑战。
甜菜碱型两性离子聚合物是传统聚乙二醇在肺部药物递送中的替代方案,具有更好的生物相容性、极低的污染性和强大的水化层形成能力[[23], [24], [25]],可以避免PEG相关的代谢和免疫原性问题[[26], [27], [28], [29]]。在各种脂质衍生物中,含有疏水性磷脂基团的两性离子脂质(如1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷脂胆碱或1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷脂乙醇胺)在纳米载体设计中受到了广泛关注。值得注意的是,肺部表面活性脂质DPPC在肺部环境中具有高生物活性。然而,由于其结构脆弱,难以长期稳定地携带和释放药物[30]。鉴于DSPE与DPPC之间的结构相似性,我们假设含有DSPE的两性离子聚羧基甜菜碱胶束可以模拟DPPC在肺泡界面的锚定机制。这种仿生锚定有望增强肺泡沉积、改善黏液渗透性、减少肺部清除,并最终增加药物在肺部的滞留。尽管之前的研究报道了基于DSPE-PCB的纳米结构具有显著的核酸负载能力,但它们的主要关注点在于全身mRNA递送和针对肺部以外的器官[31]。基于此,本研究旨在系统地探讨这类胶束在ALI中的递送途径和治疗效果。
在本研究中,我们使用D-PCBMA30胶束作为地塞米松(DEX)在ALI中的递送载体。该设计结合了“伪装-润滑”策略来克服复杂的肺部屏障:(i) DSPE介导的仿生伪装利用其与肺部表面活性脂质DPPC的结构相似性,实现肺泡锚定、逃避巨噬细胞捕获并稳定界面;(ii) PCB驱动的润滑作用通过持续的水化层生成超低污染表面,促进深度黏液渗透,同时保持对生理压力的胶体稳定性。因此,这种双功能设计实现了前所未有的肺部屏障穿越,显著提高了黏膜药物渗透性,抑制了细胞因子风暴,并为ALI建立了变革性的治疗平台(见图1)。

材料

二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(DSPE)、PLGA-PEG10k、DSPE-PEG10k(重庆宇斯医药科技有限公司);N-羟基琥珀酰亚胺、2-溴丙酸、2-溴异丁酰溴、N,N′-二环己基碳二亚胺、地塞米松、六甲基三乙烯四胺、1,1′-二十八烷基-3,3,3′,3′-四甲基吲哚菁过氯酸盐(上海阿拉丁生化科技有限公司);叔丁基溴乙酸酯、2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯(安奈吉);二氯甲烷、甲醇,

D-PCBMAn胶束的合成与表征

两亲嵌段共聚物D-PCB通过多步骤路线合成。首先,通过N-羟基琥珀酰亚胺与2-溴异丁酰溴的酯化反应制备了原子转移自由基聚合(ATRP)引发剂(NHS-Br)(见图S1a和S2a),然后通过二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)的季铵化反应制备了叔丁基保护的羧基甜菜碱单体(CB-TBu)(见图S1b和S2b)。随后,制备了具有可控程度的NHS-PCB-TBu聚合物

结论

总结来说,我们通过将DSPE与PCB以优化的接枝比例结合,成功制备了超亲水性两性离子胶束。这种“伪装-润滑”设计使得胶束具有最小的尺寸、较低的临界胶束浓度(CMC)、高药物负载能力和良好的稳定性。DSPE介导的仿生锚定作用与PCB衍生的水化润滑作用的协同作用,实现了卓越的黏液渗透性、细胞摄取和延长的肺部滞留效果

CRediT作者贡献声明

戴向荣:撰写原始草稿、数据可视化、验证、实验设计、数据分析、数据整理。廖毅:实验方法、实验设计、数据整理。陈蓉:软件开发、实验设计、数据整理。金轩翔:实验设计、数据整理。董佳佳:撰写-审稿与编辑、实验设计。谭颖:撰写-审稿与编辑、实验设计、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。金旭如:撰写-审稿与编辑、资源管理

数据可用性声明

本研究的支持数据可向相应作者索取。

支持信息

支持信息可从Wiley在线图书馆或作者处获取。

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