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(1)从多方面介绍了纳米生物材料在脓毒症治疗中的应用现状。

(2)基于靶向联合调控的设计理念提出未来纳米生物材料在脓毒症治疗中的应用前景。

Highlights:

(1)The current application status of nanobiomaterials in sepsis treatment was comprehensively introduced from multiple perspectives.

(2)Based on the design philosophy of targeted and combined regulation, the future prospects for the application of nanobiomaterials in sepsis treatment was outlined.

脓毒症是机体应对感染反应失调所致威胁生命的多器官功能障碍。相较于其他疾病,脓毒症表现为全身性炎症反应和免疫功能紊乱,其病理生理过程复杂多变。因此,脓毒症治疗需要更加精细化、更具靶向性的调控新策略。生物材料学科的飞速进展为脓毒症治疗提供了更多可能性,其中基于纳米生物材料的药物递送系统是未来治疗脓毒症的理想手段。

1.   生物材料概述

生物材料是指用于与生命系统接触和发生相互作用的,并能对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的功能材料,又称生物医用材料^[1]。人们对生物材料的探索从古至今延续了数千年^[2]。自古埃及时期开始,人类便利用棉花纤维和马鬃作为伤口缝合线,开启对生物材料最原始的探索与应用。19世纪末到20世纪中叶,一些简单的生物材料,包括天然橡胶手套和导管、金属植入物等开始被应用于医疗领域,人们开始探究材料性能和生物相容性等问题。随着高分子材料的大力发展,稳定性和相容性更好的医用高分子材料被广泛应用于制造血管、关节等组织的替代品。进入21世纪以来,学者通过材料之间的复合、材料搭载活细胞等多模态手段,制备功能化生物材料,为受损组织的修复提供新途径^{[3, 4]}。近年来,随着纳米技术的飞速发展,纳米技术也被广泛运用到生物材料开发中,纳米生物材料具有更高的比表面积和更优的生物活性,作为药物载体能够更好地与人体细胞相互作用实现精准的药物递送和靶向调控^[5]。

2.   纳米生物材料的特性

生物材料的应用广泛,目前已不局限于作为支架提供物理结构支撑以填补组织缺损。值得关注的是,纳米生物材料还可以被设计为递送生物活性物质,包括药物、细胞因子、外泌体、小分子RNA等的载体,以调控疾病微环境中的组织和细胞功能,促进机体修复^[6]。根据不同的疾病特点和治疗策略,合理利用生物材料的特性,通过调控生物材料与机体的相互作用,可以设计出具有治疗效果的生物材料。

2.1   物理化学性质

生物材料的化学性质由其基本化学成分,包括核心成分、表面成分以及表面修饰的功能化成分决定。生物材料的物理性质主要取决于其形状、大小、相对分子质量和表面活性。生物材料固有的物理化学信号对于诱导细胞行为具有重要作用,单个基团或元素的变化都能导致细胞反应发生显著变化。不同的材料成分、表面涂层和形状赋予生物材料不同的特征,影响生物材料与细胞的相互作用效率和作用模式^[7]。因此生物材料的物理化学性质是最大的可调控因素,这一方面使生物材料的开发具有无限可能,但另一方面也需要严谨的实验论证其安全性和有效性。

2.2   响应性和靶向性

目前常见的生物材料有pH、活性氧等环境响应性材料。利用具有酸敏感动态共价键的生物材料构建pH响应性药物载体系统,当载体到达具有特征性pH梯度的区域,其酸敏感化学键将发生特异性断裂,导致载体结构重构；活性氧响应性材料则通过引入具有氧化还原敏感性的功能基团实现响应特性,当活性氧达到一定浓度时,对氧化敏感的功能基团氧化键发生断裂,功能基团结构发生重构,从而实现药物的可控释放和靶向激活。如细菌会产生多种酶类,在感染局部形成pH值更低的感染微环境。利用pH响应性药物递送系统能提高抗菌和抗炎药物的生物利用度,减少不良反应^[8]。而在实体肿瘤局部微环境中,由于肿瘤细胞生长代谢旺盛产生大量的氧自由基,利用活性氧响应性生物材料,可以达到使药物向肿瘤局部富集的目的^[9]。

此外,基于受体-配体结合的特性,可将目标细胞特异性配体组装在纳米颗粒表面,以实现与细胞的靶向性结合和活性物质传递。这种靶向性能提高局部的药物浓度,减少对健康组织的损伤。例如,病原体感染后局部血管内皮细胞表达细胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecule 1,ICAM-1）,研究者据此设计了表面负载ICAM-1抗体的纳米颗粒,以靶向感染部位,在纳米颗粒中同时负载抗生素和抗炎药物有助于在清除病原菌的同时控制炎症反应^[10]。

2.3   稳定性与缓释性

目前常见的多组分聚合物纳米颗粒可以在表面或内部负载药物,通过生物材料的包裹作用形成物理屏障,避免药物与消化酶或血液中降解性酶类的直接接触,提高药物的稳定性。同样,根据药物的化学性质,如亲水性和疏水性等,选择化学性质不同的纳米颗粒,可以有效避免药物的氧化与水解反应。此外,通过对纳米生物材料物理化学性质的调控不仅可以提高药物的稳定性,还可以达到缓释效果。如可通过选择不同孔径的纳米生物材料,以限制药物的快速扩散,延长药物释放时间；通过调节不同可降解材料的比例,可以控制材料水解和酶解的时间,达到更精准的药物缓释效果^[11]。根据药物的特性对纳米生物材料载体进行选择和修饰,一方面避免了药物在穿过生物屏障到达目标区域前迅速降解,另一方面延长了药物的作用时间,可以实现对负载药物的精确控制和释放,明显提高了药物的生物利用度,并减少了药物的不良反应。

3.   纳米生物材料在脓毒症治疗中的应用探索

目前纳米生物材料在脓毒症治疗中的应用研究尚处于起步阶段,且主要方向集中于抗菌和抗炎,以其他病理生理机制为靶点的探索性研究值得进一步拓展。

3.1   抗生素载体和抗菌肽

近年来,耐药病原体不断进化,而抗菌药物研究却停滞不前,合理利用生物材料制作纳米颗粒负载或包封抗生素可以更高效、更具靶向性地与病原体相互作用,以提高抗生素的生物利用度,减少不良反应^[12]。Abdelkader等^[13]将美罗培南包封入壳聚糖纳米颗粒中,利用壳聚糖的多阳离子特性,增加与带负电荷细菌壁的作用,促进药物进入细菌胞体内。为了提高抗生素的靶向性,Hussain等^[14]设计出靶向金黄色葡萄球菌的环状多肽CARGGLKSC。在包封万古霉素的多孔硅纳米颗粒表面装载CARGGLKSC后,纳米颗粒向感染组织递送药物的效果提高。此外,利用pH响应性、ICAM-1靶向性纳米材料亦可向感染组织靶向递送药物。

有别于传统抗菌药物,抗菌肽是利用带正电荷的氨基酸和多肽结构造成细菌结构的物理性损伤。根据这一原理,有学者开发出一种星形抗菌肽聚合物纳米颗粒,它通过静电作用在细菌外膜上积累,提供了更高的局部电荷浓度,导致细菌外膜破坏,细菌死亡^[15]。

3.2   控制炎症反应

在病原体入侵后,病原体相关分子模式被特定的Toll样受体识别,这是炎症反应的始动环节。其中革兰阴性菌产生的LPS是脓毒症最常见的致病因素,可以将其作为干预脓毒症炎症反应的潜在目标^[16]。

有学者根据高密度脂蛋白螯合LPS的生物学效应,开发出与高密度脂蛋白结构类似的仿生纳米颗粒,以清除和中和LPS的毒性作用,从根源上抑制LPS的促炎反应^[17]。另有研究者将聚乳酸-羟基乙酸共聚物作为纳米颗粒的核心聚合物,并采用巨噬细胞膜包裹颗粒,制备出模拟巨噬细胞的纳米颗粒。这些纳米颗粒利用表面天然模式识别受体捕获LPS,以达到中和LPS的作用。此外,巨噬细胞膜上其他受体成分亦可结合促炎性细胞因子,达到抑制炎症反应的目的^[18]。在此设计理念基础上,有研究者用巨噬细胞膜和人工脂质共组装而成的多功能仿生纳米囊泡（MϕM-LPs）,用于递送抗生素以治疗细菌感染。工程化的人工脂质膜增加了MϕM-LPs流动性并促使其锚定于病原菌。在金黄色葡萄球菌感染的小鼠模型中证明,单次注射MϕM-LPs能够有效消除感染组织中的金黄色葡萄球菌,并降低炎症细胞因子水平^[19]。有学者利用纳米脂质载体涂覆天然巨噬细胞膜,并负载抗炎药物头花蓼碱,制成仿生抗炎纳米系统。基于巨噬细胞向炎症部位“归巢”的特性,此仿生纳米系统促进了头花蓼碱在肺部炎症部位的有效聚集,从而达到治疗急性肺损伤的效果^[20]。这些结果表明,将天然和人工膜材料结合,作为多功能仿生药物递送系统来控制炎症反应具有潜在价值。

3.3   调控免疫细胞功能

3.3.1   单核巨噬细胞

纳米颗粒等生物材料进入体内会被宿主天然免疫系统识别,单核巨噬细胞是专职吞噬和识别外来物质的天然免疫细胞。研究证实,通过静脉注射脂质纳米盘后,它们优先被单核巨噬细胞摄取^[21]。因此单核巨噬细胞是免疫系统中与纳米颗粒发生最广泛相互作用的免疫细胞。

研究证实,多种类型的纳米颗粒,包括多组分聚合纳米颗粒、金属纳米颗粒、脂质体和仿生纳米颗粒等在调节巨噬细胞促炎、抗炎活性和焦亡中发挥作用^[22]。在小鼠脓毒症模型中,单组分金纳米颗粒可诱导巨噬细胞向M2型极化,从而减少促炎性细胞因子的释放,保护器官功能^[23]。在此基础上,以金纳米颗粒为核心、表面进行多肽涂层修饰的生物材料能够更具针对性地与单核巨噬细胞表面CD14和髓样细胞分化蛋白2受体相互作用,阻断LPS介导Toll样受体4信号激活,减少炎症细胞因子的产生^[24]。同样,在LPS诱导的小鼠炎症模型中,超顺磁性铁氧化物纳米颗粒通过调节巨噬细胞自噬,促进抗炎细胞因子IL-10产生,进而减轻组织炎症反应和肝损伤,发挥器官保护效应^[25]。由此可见,利用不同成分的纳米颗粒能够实现对巨噬细胞促炎和抗炎功能的双向调节。然而,这些纳米颗粒对巨噬细胞的作用是非特异性的,采用巨噬细胞靶向多肽（如CRVLRSGSC,以下简称CRV）修饰的纳米颗粒可以更特异地调控巨噬细胞功能。Tang等^[26]利用CRV多肽修饰的脂质纳米颗粒包封表达耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA）嵌合抗原受体mRNA和胱天蛋白酶11小干扰RNA（small interfering RNA,siRNA）。在MRSA感染小鼠中,尾静脉注射CRV多肽修饰的脂质纳米颗粒可向巨噬细胞定向传输siRNA,提高巨噬细胞对MRSA的吞噬和清除作用,同时抑制胱天蛋白酶11介导的细胞焦亡。据此设计理念,可通过向巨噬细胞递送不同功能RNA,实现对巨噬细胞功能和活性的精准调控。

3.3.2   中性粒细胞

中性粒细胞是外周血中含量最丰富的白细胞,富含溶菌酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶等,在感染后迅速向感染部位趋化并吞噬病原菌和受损组织碎片,继而启动凋亡程序,以发挥清除病原体的重要作用。在脓毒症时,中性粒细胞发生凋亡延迟的现象,大量中性粒细胞积累和迁移造成血管内皮损伤、过度炎症反应和组织器官功能损伤^[27]。有学者利用白蛋白纳米颗粒搭载pH敏感性阿霉素前体（DOX-hyd-BSA）。研究表明,DOX-hyd-BSA对活化的中性粒细胞具有靶向性,DOX-hyd-BSA在被吞噬后,中性粒细胞内的酸性环境触发阿霉素释放,诱导中性粒细胞凋亡。在LPS诱导的小鼠脓毒症模型中,尾静脉注射DOX-hyd-BSA显著提高了小鼠的存活率^[28]。与未功能化的纳米颗粒相比,以中性粒细胞表面标志物Ly6G为靶点设计的纳米颗粒,其内化程度大大提高。搭载选择性磷酸二酯酶4抑制剂的Ly6G纳米颗粒,可以有效抑制活化中性粒细胞释放细胞因子和趋化因子,防止中性粒细胞过度积累和迁移造成的器官损伤^[29]。

3.3.3   树突状细胞（dendritic cell,DC）

随着脓毒症的进展,机体出现免疫抑制是造成不良预后的主要原因,其中DC功能低下是脓毒症免疫紊乱的主要特征之一^[30]。虽然研究提示,不同成分的生物材料对DC的功能有不同影响^[31],但如何利用生物材料对DC免疫应答进行有目的调节仍是一大难题。

多种DC表面受体,包括甘露糖受体、CD11c受体等,可作为生物材料靶向位点,据此设计的纳米颗粒在负载mRNA、抗原或多肽等成分后能够靶向调控DC的成熟及活化。在小鼠模型中,腹腔注射的表面多聚甘露糖化脂质体纳米颗粒被DC所摄取,明显促进DC成熟并向脾脏迁移,继而上调Th1免疫应答^[32]。有研究者利用聚乙二醇化聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米颗粒载体包封卵清蛋白、多聚肌苷酸-多聚胞苷酸等抗原成分,表面分别负载抗CD40、抗CD11c等多肽,制备成靶向调控DC功能的纳米制剂。这些靶点修饰纳米颗粒均能显著促进IL-12和共刺激分子表达、增强T淋巴细胞反应^[33]。目前,相关研究多集中于肿瘤治疗领域,旨在通过活化DC诱导T淋巴细胞的杀伤效应^{[34, 35]}。肿瘤的免疫逃逸现象与脓毒症状态下免疫抑制有相似之处,这些以激活DC功能为靶向的生物材料的设计思路或许可以给脓毒症免疫调理治疗提供灵感和理论依据。

3.3.4   T淋巴细胞

与靶向DC类似,可以根据细胞表面特异性受体CD3、CD4、CD8等设计靶向T淋巴细胞的纳米颗粒^[36]。有学者构建了表面搭载抗CD4单克隆抗体的脂质纳米颗粒,内部包封CD45 siRNA,并检测了该脂质纳米颗粒的靶向性和siRNA递送效率。结果显示该脂质纳米颗粒可以与CD4⁺ T淋巴细胞有效结合,但由于T淋巴细胞的吞噬能力有限,加之胞质中的胞内体对外源性物质的降解作用,使得siRNA递送效率受到一定影响^[37]。不同于单核巨噬细胞和DC,T淋巴细胞不具备吞噬能力。虽然靶向T淋巴细胞能通过负载抗CD3、抗CD4等抗体实现,但纳米颗粒与T淋巴细胞结合后如何发挥作用是靶向调控T淋巴细胞的瓶颈所在。新近资料证实,天然糖原纳米颗粒能与Jurkat T淋巴细胞和人类原代T淋巴细胞相互作用直接发生融合,进行细胞内运输,并在不使用受体靶向抗体情况下释放包封的药物。其中小尺寸且带正电荷的天然糖原纳米颗粒——牛糖原-乙二胺纳米颗粒,显示出极高的内吞效率和有效的胞内体逃逸特性,并实现了负载的mRNA在靶细胞中的有效表达,为靶向T淋巴细胞进行小分子药物和mRNA输送提供了更多可能^[38]。

3.4   多靶向联合调控

脓毒症的病理生理过程极其复杂,从病原体感染后炎症反应激活到免疫细胞功能失调引发免疫紊乱,涉及多系统、多细胞、多信号在不同层面和维度上的相互作用,形成动态变化的网络效应^[39]。有鉴于此,对脓毒症的治疗策略应该从多时空、多靶点综合考量。当下针对感染的纳米生物材料治疗方案已考虑到同时搭载抗生素和抗炎药物,并在此基础上结合感染微环境响应模块,旨在感染初期限制病原体的播散,防止全身性炎症反应的发生。这样,在感染初期可有效防治脓毒症的发生与发展。然而临床工作中,已经明确诊断的脓毒症患者大多数存在免疫功能紊乱的情况,并伴有不同程度的器官功能障碍,仅针对感染和炎症的干预治疗往往效果不佳。既往的研究证实,免疫调理治疗可能获益更大^[40]。因此,利用纳米生物材料搭载免疫调节剂可能是未来免疫调理的重要发展方向。利用生物材料的特性,对生物材料进行多模块合成有望实现多靶向的药物递送和免疫细胞功能重建。

4.   问题与展望

纳米生物材料作为药物载体具有以下优势：（1）纳米药物递送系统可以通过多种机制克服病原体耐药性,提高药物的生物利用度；（2）纳米生物材料可有效保护药物免受外界环境的影响,延长药物的半衰期,提高药物的稳定性；（3）纳米生物材料通过表面修饰或功能化,实现对特定组织或细胞的靶向传递。

尽管纳米技术已显著推动生物材料进入新的应用领域,但在脓毒症治疗中对纳米生物材料应用的探索尚属起步阶段。得益于纳米生物材料在肿瘤治疗中的研究成果,纳米生物材料向脓毒症治疗的应用转化成为可能,然而仍有诸多重要问题亟待解决。首先,对药物载体的开发依赖于天然或合成纳米材料,但大多数纳米材料目前缺乏长期安全性和生物相容性的临床评估,尚未获得食品药品监督管理局批准作为药物可添加的辅料或佐剂。因此,对纳米生物材料进行临床评估和进一步优化是必不可少的。其次,脓毒症病理生理机制尚未被完全阐明,明确核心分子调控途径及其关键环节是开发纳米生物材料治疗策略的重要基础。最后,研发治疗脓毒症的新型纳米生物材料需要多学科领域人员,包括熟悉脓毒症病理生理机制的基础研究人员、烧创伤和急危重症专业的临床医师、化学工程专业的材料开发人员和药理毒理学专业团队等的交叉融合与协同攻关。