生物膜仿生納米顆粒在藥物傳遞體系中的研究進展

田浩 陳世春 韓雨彤 陳輔明 馬愛青 魯澄宇

[摘要] 生物膜涂層納米技術是一種新興的納米載藥仿生策略。該策略將具有不同特性的各種生物膜作為功能材料覆蓋在載藥納米粒子表面，避免了傳統化學手段修飾納米顆粒的繁冗過程。得益于生物膜的偽裝功能，這類仿生納米載體獲得原生物膜的天然屬性，不僅本身的生物相容性得到解決，同時還具備體內長循環、病灶靶向等特點，目前已成功運用于藥物呈遞，在疾病精準診斷和治療領域展示了廣闊的應用前景。本文初步探討了仿生納米顆粒在藥物傳遞體系中的研究進展，并對其未來研究進行展望。

[關鍵詞] 生物膜；仿生；納米顆粒；藥物傳遞

[中圖分類號] R945.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）03（a）-0031-05

[Abstract] Biomembrane-coated nanotechnology is a new biomimetic strategy for nanosystems. In this strategy， various kinds of biological membranes with versatile characteristics are used as functional materials and engineered on the surface of drug-loaded nano cores， which avoids the cumbersome process of traditional chemical methods to modify nanoparticles. Benefit from the camouflage function of biological membranes， the mimetic nanoparticles obtain the natural properties of the original biomembrane with good biocompatibility and characteristics of long circulation and lesion targeting. In the past few years， such biomimetic nanosystems have been successfully applied in drug delivery， showing broad application prospects in the fields of accurate diagnosis and treatment of diseases. This paper reviews the research progress of biomimetic nanoparticles in drug delivery system and prospect the future research.

[Key words] Biomembrane； Biomimetic； Nanoparticles； Drug delivery

納米載體通過包封或者吸附等手段，將藥物整合于納米材料中，形成藥物納米顆粒，實現有效的藥物傳遞。區別于傳統的載藥體系，納米載體具有特殊的優越性，如高載藥率、藥物控釋、被動靶向功能等[1-2]。納米顆粒的另外一個主要的特性在于其表面可以修飾功能基團，如修飾葉酸、多肽等，在疾病的診斷和治療方面展示了明顯的優勢[3-4]。然而功能基團的引入往往使制備過程復雜化，并給納米顆粒的生物應用帶來潛在的不可控因素，如存在免疫原性等問題，從而限制了納米藥物傳遞系統的發展[5]。受自然界生物系統的啟發，生物膜仿生的思路開始引起科學家們的興趣[6]。近年來研究人員提取各種生物膜修飾納米顆粒表面，合成了多功能的仿生納米顆粒。這類生物膜涂層納米顆粒由納米核心和天然生物膜殼構成，擁有納米核心的高度選擇性，兼具有生物膜天然屬性的特性，目前成功運用于藥物呈遞，在醫藥學領域展示了廣闊的應用前景。本文主要探討生物膜仿生納米顆粒在藥物傳遞體系中的最新研究進展，并對其未來研究進行展望。

1 非特異性紅細胞膜仿生納米藥物傳遞系統

紅細胞是一種天然的在體內具有長循環的細胞，其循環壽命長達100～130 d[7]。在紅細胞表面會表達一種跨膜糖蛋白CD47，該分子蛋白可以與SIRPα形成信號復合物，產生抑制性調節信號，抑制免疫細胞對紅細胞的吞噬作用，從而使紅細胞在體內維持長循環[8-9]。將紅細胞膜作為功能化材料修飾于傳統納米顆粒表面，是提高藥物體內循環半衰期的一種新型仿生策略。Hu等[10]通過簡單的物理擠壓法將紅細胞膜覆蓋在聚乙交酯丙交酯（PLGA）納米核心表面，得到紅細胞膜仿生納米顆粒（RBC-NPs）。RBC-NPs的紅細胞膜涂層在制備過程中保留了大多數原有膜蛋白，且其中CD47的蛋白密度與天然紅細胞膜上的密度接近。得益于紅細胞的“隱身”涂層修飾，這種生物膜納米顆粒可有效“躲過”免疫系統識別，避免被免疫細胞吞噬，進而實現在生物體內的長循環。研究結果顯示，巨噬細胞對RBC-NPs的吞噬作用降低了64%，大大增加了藥物的遞送率。Chen等[11]利用紅細胞膜包裹中空普魯士藍納米粒子，證明紅細胞膜偽裝的納米藥物不僅能有效避免體內巨噬細胞的吞噬，還能減少細胞因子TNF-α的分泌，明顯延長納米粒子在血液中的循環時間，并降低納米粒子在網狀內皮系統的富集。Su等[12]將紅細胞膜包覆于聚己內酯納米粒子表面，制備出半衰期長達32.8 h的仿生的納米顆粒，是未經細胞膜修飾的納米顆粒的5.9倍。Rao等[13]利用紅細胞膜將納米顆粒偽裝成天然生物粒子，通過酶聯免疫吸附試驗證明紅細胞膜仿生納米顆粒并不會引起動物血清中IgM和IgG水平的升高，即不會引起免疫反應。該團隊同時運用血液生化指標證實紅細胞膜仿生納米顆粒不具有肝腎毒性，這些對紅細胞膜仿生納米顆粒生物應用的體內安全性提供了重要的參考價值。

在紅細胞膜仿生技術不斷發展的環境下，研究人員通過靈活設計納米顆粒的核心，使紅細胞膜涂層的長循環納米藥物傳遞系統得到廣泛應用。例如，Rao等[14]利用微流體電穿孔將Fe3O4磁性納米粒子導入紅細胞膜囊泡中，實現了高效大批量細胞膜仿生納米顆粒制備，并成功用于腫瘤磁共振成像和光熱治療。Gao等[15]將全氟碳（PFC）封裝在紅細胞涂層的納米顆粒里，制備出直徑約為290 nm的人工紅細胞（PFC@ PLGA-RBCM）。具備體內長循環特性PFC@PLGA-RBCM同時擁有PFC的載氧能力，可以明顯改善腫瘤缺氧，提高放射性治療效果。這一仿生策略成功將血液替代品PFC整合至納米材料中，更好地模仿了天然紅細胞的循環載氧功能，在血液輸送領域展現了良好的應用前景。

2 特異性生物膜納米藥物傳遞系統

特異性納米載藥體系可以將藥物準確傳遞至病灶位置。它是以病灶為靶點，通過合理設計藥物載體，將藥物以被動靶向或主動靶向兩種模式遞送到靶點，增加靶點位置的藥物聚集，同時減少藥物對正常組織器官的毒性[16]。以生物膜包裹納米載體構建仿生體系，在避免繁冗修飾過程的同時，還可以使納米顆粒獲得更優異的主動靶向效果。這一仿生體系在腫瘤和炎癥靶向領域已有不斷深入的研究，具有重要的應用前景。

2.1 腫瘤靶向生物膜納米藥物傳遞系統

癌癥的治療一直是科學家們努力攻克的目標之一。近年來，癌細胞膜涂層納米載體的概念引起了研究者的廣泛興趣。該類仿生膜載體將納米藥物偽裝成癌細胞，利用癌細胞表面黏附分子相互識別和黏附的特性，將藥物主動靶向到病灶，從而實現藥物的富集和有效治療[17]。目前，以各種癌細胞膜偽裝納米載體的設計和應用已成為當前診斷和治療腫瘤的研究熱點。Fang等[18]采用微孔膜擠壓法將人乳腺癌細胞（MDA-MB-435）膜包裹在PLGA納米顆粒上，制備出具備腫瘤靶向的仿生納米顆粒。研究結果顯示，MDA-MB-435細胞對該仿生納米顆粒的攝取比普通的PLGA粒子提高近20倍。為驗證癌細胞膜涂層納米顆粒在活體水平上的腫瘤靶向效果，Chen等[19]提取人乳腺癌細胞（MCF-7）膜偽裝PLGA納米顆粒得到ICNPs。ICNPs表面的細胞膜保留了原有的黏附分子，在體內能通過靶向識別高度富集在腫瘤部位，其富集量比普通納米顆粒提高3.1倍。Zhu等[20]提取不同株的癌細胞膜裹在納米顆粒上，體外實驗證明癌細胞包被的納米顆粒僅能被同源的腫瘤細胞（即同株腫瘤細胞）高效自我識別和攝取，從而實現主動靶向性。進一步研究發現，在小鼠荷有兩種不同株的腫瘤模型中，癌細胞涂層的納米顆粒對于異型腫瘤不具備富集效果，但對同源腫瘤卻具有高度靶向能力，這意味著通過調節癌細胞膜的來源就可以精確地診斷或治療各種腫瘤。

癌細胞膜仿生工程賦予納米藥物傳遞系統優異的腫瘤靶向能力，利用這一平臺，科研人員可以實現更加精準的腫瘤治療。例如Li等[21]構建了一種腫瘤靶向級聯生物反應器并嵌入到由癌細胞膜修飾的卟啉金屬有機骨架中。該體系靶向至腫瘤后可以與葡萄糖氧化酶以及過氧化氫酶相作用，在腫瘤細胞的饑餓和光動力治療實驗中取了不錯的療效。Tian等[22]將氧載體血紅蛋白和阿霉素整合至癌細胞膜涂層的納米體系中，合成了具有同源靶向和供氧能力的仿生納米顆粒。該仿生體系能顯著改善缺氧誘導的化療耐藥，并有望應用到其他需氧治療體系中，以進一步提高治療效率。

隨著癌細胞膜仿生納米靶向體系的研究日漸深入，其他種類的細胞膜賦予納米顆粒腫瘤靶向能力的潛能也被逐漸開發出來。例如，基于巨噬細胞膜蛋白識別腫瘤內皮細胞的能力，Xuan等[23]采用巨噬細胞膜偽裝的介孔二氧化硅納米粒子。結果顯示，該仿生納米載藥體系在腫瘤部位的富集效果比普通顆粒明顯增強。類似的，Krishnamurthy等[24]以單核細胞偽裝的PLGA納米顆粒為研究對象，證明其腫瘤靶向能力能更有效殺傷腫瘤細胞。為抑制癌細胞轉移，Kang等[25]制備了中性粒細胞膜仿生納米顆粒（NMNP-CFZ）。NMNP-CFZ在體內能捕獲血液中腫瘤循環細胞，并靶向至腫瘤轉移前微環境，取得了良好的抗腫瘤轉移效果。值得注意的是，這類的仿生納米藥物傳遞系統對腫瘤的靶向可能具有非專一性，但同時也意味著具有更廣泛的生物應用。

除細胞外，其他生物膜涂層，如細菌也可以使納米載藥體系獲得腫瘤靶向能力。細菌是導致人類出現疾病的重要病原體之一，能引起機體局部或全身感染。隨著生物工程的發展，改造后的細菌逐漸被當作載體用于傳遞藥物，細菌膜靶向腫瘤能力也被發開出來。例如，Gujrati等[26]對突變大腸埃希菌菌株（對人細胞具有低毒性）進行生物改造后，其膜表面表達對人表皮生長因子受體2（HER2）有高度親和力的分子，并以此為配體，使細菌獲得對腫瘤特異性靶向的能力。隨后，該團隊提取這種細菌膜制備成攜帶siRNA的仿生納米囊泡（AffiHER2OMVsiRNA）。實驗證明，AffiHER2OMVsiRNA在動物模型中并沒有任何毒副作用，而且還能實現靶向基因沉默，進而抑制腫瘤的生長，抑瘤率高達66.34%，這對于細菌改造抗腫瘤研究具有重要意義。

2.2 炎癥靶向生物膜納米藥物傳遞系統

炎癥是具有血管系統的活體組織對損傷因子所發生的防御反應，是臨床常見的一種病理過程。炎癥區域靶向精確給藥有助于傷口愈合，防止并發癥的發生。Parodi等[27]將白細胞膜修飾在多孔硅納米上，通過免疫印跡和流式細胞儀分析證明膜上保留CD45、CD3z等多種蛋白，使得該仿生納米顆粒可以延緩單核吞噬細胞系統的攝取，并與炎癥內皮細胞結合，將藥物靶向傳遞至炎癥部分以發揮更好的療效。

炎癥發生時，大量存在于血管內皮下的蛋白質，如膠原蛋白會暴露出來，血小板通過這些位點選擇性粘附而發揮凝血和止血的功能[28-29]。利用這一特性，Hu等[30]從血小板中分離出細胞膜，隨后覆蓋在PLGA納米顆粒的表面，形成直徑約為100 nm的血小板仿生納米顆粒PNP。該仿生顆粒的膜保留了大多數蛋白，包括免疫調節蛋白，整合素組件和其他跨膜蛋白，這賦予了PNP類似血小板的屬性。實驗證明，當PNP攜帶多西紫杉醇（一種被用于預防瘢痕組織在受損血管內壁形成的藥物）時，以動脈受損的老鼠模型體內注射，PNP可以有選擇性地聚集到動脈受損的位置并治療，防止血管內膜過度增生。這一治療平臺有望用于矯形手術后，防止細胞增生導致的動脈和瓣膜狹窄，如心瓣再狹窄等問題。研究還顯示，PNP可以與病原體進行結合，用于抗生素靶向給藥，更有效預防和治療炎癥。以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）為對象，PNP與 MRSA結合效率比普通的納米顆粒提高12倍。研究人員進一步以感染MRSA的小鼠為模型，將攜帶萬古霉素（劑量僅為臨床劑量的1/6）的PNP注入體內。實驗證明，該治療組小鼠器官（肝臟和脾臟）內細菌數比接受臨床劑量的小鼠低1000倍。這一血小板仿生納米藥物傳遞系統為細菌感染的治療搭建了一個嶄新的平臺。

3 結語

生物膜仿生納米顆粒的出現和發展規避了傳統化學手段功能化納米顆粒的繁冗修飾過程及其可能帶來的不利因素。由于表面的膜涂層在制備過程中保留了原有的膜蛋白、多聚糖和脂質層，生物膜仿生的納米顆粒獲得了原生物膜固有屬性的特性。基于這些特性，該類仿生納米體系本身的生物相容性得到解決，同時還能顯著延長藥物的血液循環時間，或者將藥物特異性投遞到病灶位置，從而取得更好的治療效果。

盡管生物膜仿生納米載藥體系在實驗研究中取得了不錯的進展，但我們也必須意識到研究尚處于起步階段，還有很多挑戰需要克服。首先，該納米仿生工程將整個生物膜移植到納米顆粒表面，雖然科研工作者證明一些相關膜蛋白在識別和黏附中扮演重要角色，但卻缺乏對整體膜蛋白（包括蛋白類型和空間結構）作用機制的探討。這一探討雖然工作量巨大，但可以幫助我們充分了解相關機制。其次，生物膜仿生納米顆粒的質量控制的一個亟待解決的問題。生物膜的提取和制備過程中需避免引入污染物（如熱原、病毒等），并防止膜蛋白的變性，從而保證生物膜的生物安全性和天然活性。再者，目前研究所使用的生物膜均是從天然的細胞或者細菌上提取，這一定程度上限制了生物膜的來源，影響其進一步研究。

總之，具有優異仿生效果的生物膜涂層納米載藥體系，可以通過靈活的調整納米核心和生物膜涂層的種類而獲得更廣泛而又精確的應用，使得疾病的診斷和治療更加高效。

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