综述：红细胞介导的药物输送：装载、释放及临床进展

《Journal of Controlled Release》：Red blood cell mediated drug delivery: Loading, release and clinical progress

邓慧子|李静辉|文秋豪|程晓蓓|王玉丽|杨梅燕|李毅|杨阳|高春生

国家安全特需药品国家重点实验室，中国北京100039

摘要

由于红细胞具有天然的生物相容性、长期体内循环能力和优异的变形能力，它们已成为一种极具潜力的药物递送平台。实现高效细胞内药物装载的关键策略是控制红细胞膜的通透性并使其能够瞬间开启。本文全面介绍了红细胞膜的结构与功能、膜通透性的潜在机制及其后续修复过程、三种广泛应用的膜通透性改性技术、表面装载策略、药物释放特性以及该领域的最新临床进展。通过整合基础生物学知识与技术创新，本文为红细胞的合理设计及其在临床治疗中的应用提供了有价值的框架。

引言

药物科学家们致力于开发新型药物递送系统，以克服生理屏障并精确调控药物的时空分布。红细胞（RBCs）凭借其独特的生物学特性，为科学家们提供了极具吸引力的研究方向。天然红细胞具有良好的生物相容性、机械变形能力和较低的免疫原性。其表面丰富的CD47分子能够有效避免免疫系统的识别，使它们在体内的半衰期长达120天。同时，红细胞的优良机械性能使其能够通过微米级的毛细血管，从而将药物输送到深层组织。此外，成熟的红细胞没有细胞核及线粒体等细胞器，这降低了体外操作和储存的复杂性，避免了基因突变的风险，并提高了生物安全性。值得注意的是，这些优良特性仅存在于未经改性的红细胞中。对红细胞进行化学或物理修饰会改变其膜完整性、机械性能和表面特性，而过度修饰的红细胞会被脾脏迅速识别并清除。红细胞修饰的程度从几乎无害（即低剂量负载时）到可能带来危害不等，这直接影响了它们的体内循环行为和生物相容性。

基于红细胞的药物递送策略主要根据红细胞的修饰方法和应用目的划分为五种技术途径：细胞内递送方法通过物理或化学手段将药物包封至红细胞细胞质中[1]；表面修饰递送方法通过化学或生物结合将药物固定在红细胞膜上[2]；基因工程方法通过改造红细胞前体细胞使其表达治疗性蛋白[3]；红细胞膜提取方法主要用于纳米颗粒的包覆[4]；红细胞细胞外囊泡方法则利用源自红细胞的天然囊泡作为递送载体[5]。其中，基于膜通透性原理的细胞内递送方法（尤其是通过低渗透析、电穿孔或微流控等技术实现的受控药物装载）因技术成熟、适用范围广泛以及在临床治疗中的转化潜力而成为当前研究的焦点[6],[7],[8]。此外，表面装载策略在需要将药物释放到红细胞表面的应用中（如抗血栓或免疫调节治疗）也越来越受到重视。

红细胞递送系统能够解决多种治疗物质的递送挑战。小分子药物存在膜通透性差、代谢速度快且缺乏靶向性等缺点[9],[10]。例如，亲水性药物地塞米松磷酸盐难以通过被动扩散进入细胞[11]，而脂溶性抗疟药青蒿素硫酸盐的半衰期较短[12]。将其包封在红细胞内后，通过表面修饰或自然分布手段可延长其半衰期并实现组织靶向。蛋白质和多肽因体积较大而无法被动穿透细胞膜，其三维结构的完整性对其生物活性至关重要[13],[14]，且容易被体内的蛋白酶降解[15]，这导致需要频繁给药并可能引发免疫反应[16]。红细胞可以保护蛋白质和多肽免受降解，同时其隐蔽性还能降低免疫原性[17],[18]。核酸分子量大、带负电荷且易被核酸酶降解[19]；非病毒载体存在转染效率低和细胞毒性问题[20]，而病毒载体则有插入突变的风险[21]。红细胞载体不仅能保护核酸免受降解，还能利用其在脾脏和肝脏中的自然分布特征将其有效递送到免疫器官，因此在疫苗开发和基因治疗中具有独特价值[22],[23]。然而，功能性纳米材料的临床应用受到清除速度快和靶向效率低等限制[24],[25]。将纳米材料装载在红细胞内或固定在红细胞表面可使其具备红细胞的长期循环特性[26]，这一组合甚至能为纳米材料赋予新的功能。例如，装载有磁性纳米粒子的红细胞可在外部磁场的引导下实现精确定位，为肿瘤治疗和疾病模型构建提供创新工具[27]。

值得注意的是，目前进入临床研究阶段并取得积极进展的大多数红细胞药物递送系统都采用了膜通透性装载技术。尽管已有大量文献讨论了红细胞作为药物载体的各种应用，但从细胞内递送机制、工艺参数优化和临床转化策略等方面进行的系统性分析仍然有限。因此，本文重点探讨基于膜通透性技术的红细胞细胞内药物递送系统，同时也讨论了表面装载作为补充策略，并深入分析了红细胞膜的结构与功能、膜通透性与恢复的机制、常见的药物装载方法、表面装载方式、药物释放机制、临床应用进展以及当前面临的挑战和未来发展方向，旨在为红细胞药物递送领域的研究与转化提供参考。

节选内容

红细胞膜的结构与功能

红细胞膜是连接细胞与外部环境的复杂界面。得益于其独特的双凹碟形结构和动态膜骨架，红细胞具备优异的变形能力和气体交换能力。双凹形状使得其表面积比球形多出约40%，这对其通过3微米大小的毛细血管至关重要[28],[29]。红细胞的功能和寿命取决于其膜组成、通透性特性及机械稳定性。

红细胞膜的通透性机制

红细胞膜的通透性机制与药物递送和释放过程密切相关。力诱导的膜孔形成直接关系到药物的装载与释放过程。两亲分子介导的膜通透性机制和氧化应激为环境响应型递送系统提供了基础，而在病理条件下膜性质的改变为靶向递送策略提供了可能（见图2）。

红细胞膜的恢复机制

细胞膜是药物递送的主要生理屏障。尽管脂质体、纳米颗粒和病毒载体已被广泛用于增强细胞内药物递送，但其效率和安全性仍受细胞膜自身修复机制和应激反应的限制。作为无细胞核和无细胞器的细胞，哺乳动物红细胞的膜修复机制与有核细胞完全不同。深入了解红细胞的修复机制不仅……

药物装载方法

本文重点介绍了红细胞的两种主要药物装载策略：基于膜通透性的细胞内递送和表面装载。细胞内递送通过红细胞膜上的亲水孔洞暂时改变红细胞的结构，使治疗分子得以进入；随后红细胞膜重新闭合将药物包裹其中。这种“通透-装载-恢复”机制克服了红细胞缺乏吞噬能力的限制，实现了多种类型的药物装载。

药物释放机制

药物的释放行为与其在体内的分布、药代动力学特性及治疗效果密切相关。理想的红细胞药物递送系统不仅应在血液循环中保持稳定以避免过早泄漏，还应在靶点部位释放足够量的药物。为此，研究人员根据对红细胞生理特性、药物理化性质及体内环境的理解，开发出了三种释放策略。

临床转化

红细胞药物递送系统的临床应用主要基于物理包封方法，并结合了新兴技术，在肿瘤、炎症性疾病和代谢性疾病等多种治疗领域取得了显著进展（见表1）。

结论

经过数十年的发展，红细胞药物递送系统已从基础研究发展到临床探索阶段，成为一种有前景的生物递送平台。本文系统综述了红细胞系统的药物装载机制、方法及药物释放行为。基于膜通透性的药物装载方法包括渗透冲击、电穿孔和微流控等技术。由于技术成熟，渗透冲击方法在临床转化中得到了广泛应用。

作者贡献声明

邓慧子：数据可视化、软件开发、实验设计、数据分析、概念构思、初稿撰写。李静辉：数据可视化、软件开发。文秋豪：数据分析、初稿撰写。程晓蓓：实验设计。王玉丽：实验设计。杨梅燕：实验设计。李毅：实验设计、资金申请、数据分析、审稿与编辑。杨阳：项目指导、概念构思、审稿与编辑。高春生：结果验证、项目指导。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了北京市自然科学基金（项目编号：7262182）的支持。