納米材料在腎移植中的應用研究進展

栗澤鵬 丁晨光,2，3 鄭瑾,3 董博清 薛武軍,3

(1 西安交通大學第一附屬醫院腎臟病醫院腎移植科，陜西 西安 710061；2 西安交通大學第一附屬醫院捐獻器官獲取與分配科；3 西安交通大學器官移植研究所)

腎移植是目前治療終末期腎病最有效的方式之一。盡管當前的手術方式、免疫抑制治療及監測方案的實施可使同種異體移植物1年內的存活率達到約95%，但是長期移植腎存活率并無顯著提升。目前認為影響移植腎長期存活率的主要因素包括移植腎延遲恢復(DGF)、急性排斥反應(AR)、慢性排斥反應(CR)和感染等[1]。如何提高移植腎長期存活率是腎臟移植領域中愈來愈重要的課題之一。

相較于傳統藥物，新型納米材料具有高負荷、特異靶向性和原位治療等特點，更有利于移植腎臟功能的精準評估與術后并發癥的防治[2]。目前納米材料在腎移植的很多方面發揮了一定的作用，包括構建合適尺寸的納米顆粒進行腎小球濾過屏障(GFB)的評估，合成具有抗氧化性能及酶活性的納米材料以減輕缺血再灌注損傷(IRI)，構建高效靶向的納米材料遞送系統以精準化治療等[3]。本文將對目前納米材料在腎臟移植相關研究領域的進展及未來可能發揮的作用進行述評。

1 納米材料在腎臟中的排泄及累積情況

納米材料的大小是決定其與腎臟相互作用的關鍵因素。目前研究結果顯示，受限于腎小球基底膜(GBM)上2～8 nm的孔徑，流體力學直徑(HD)小于6 nm的納米材料可以通過GFB進入膀胱中[4]。該尺寸閾值受到納米材料整體形狀的影響，適用于納米分子最短的直徑。有研究觀察到直徑為0.8～1.2 nm，長度為100～1 000 nm的碳納米管可通過尿液有效排泄[5]。此外，由于GBM及足細胞帶有負電的特征，納米材料的電荷屬性也會影響納米材料的濾過[4]。在亞納米(<1 nm)層面上似乎納米顆粒的內部元素構成也會影響其在GFB的濾過率，呈現出隨著納米分子中原子數量增加，濾過率逐漸增高的趨勢[6]。目前關于納米材料的粒徑對腎臟的積累或者排泄情況的影響還在逐步明確中[1]：<1 nm的納米材料多會積累于腎小球血管內皮糖萼內，腎臟清除率降低；直徑1～5 nm的納米材料多可以穿過GFB通過尿液排出體外，其腎臟清除效率與納米材料大小密切相關，但HD 1～2 nm時，直徑對其排泄情況的影響不再顯著；直徑5～7 nm通常可穿過 GFB 并被腎小管內皮細胞內吞，積聚于近端小管；直徑<100 nm時一般會穿過內皮層但不能穿過GBM，積聚在腎小球系膜；而直徑>100 nm的納米材料則被管周毛細血管的內皮細胞內吞，然后分泌到腎臟近端小管，從而實現靶向腎小管。

此外，腎臟的病理狀態也可能會改變腎小球組織的完整性，影響腎小球的電荷分布和納米材料的濾過模式。CHEN等[7]評估了急性腎損傷(AKI)動物模型中不同電荷的納米材料腎臟積累模式，研究顯示，通常清除較慢的帶負電和中性聚合物可迅速穿過GFB，隨后被近端小管細胞重新吸收并停留長達24 h。這些發現提示在腎靶向納米粒子的設計和制造過程中亦需要考慮AKI對納米顆粒的腎臟積累/清除模式的影響。

在腎臟移植領域中，腎功能的準確評估、并發癥的早期診斷及防治需要不同排泄方式的納米材料。可以經過腎臟排泄的多種納米分子，包括有納米金顆粒(AuNPs)、DNA折紙納米結構(DONs)、卟啉聚合物以及多金屬氧酸鹽簇等[8-12]，已可用于GFB完整性的評估，其檢測容易和計量準確的特點為精準估算腎小球濾過率(eGFR)提供了可能，而且其較高的生物相容性和易于定量的特點也會促進更優腎功能評估方式的開發。目前報道的用于腎臟治療的納米顆粒直徑多在30～150 nm，常見的納米材料包括DONs、摻硒碳量子點、黑色素納米粒子和黑磷納米片等[13-15]，在無病理條件誘導GFB破壞的情況下，可有效地提高全身血液循環時間，并提高在腎臟中的被動蓄積。此外由于納米材料還具有可編輯性及靶向特異性，從而被設計成藥物遞送分子，以達到療效最大化和副作用最小化的目的。

2 納米材料在腎移植術后并發癥早期診斷中應用

2.1 無創移植腎功能評估

腎移植術后為了及時處理并發癥，往往需要對腎功能進行敏感且準確的評估，傳統方法中使用的肌酐和尿素氮等指標多存在靈敏度較低的問題，因此探索新的無創且準確的腎功能評估方式一直是腎移植研究領域的熱點問題之一。

目前AuNPs因其具有X線高密度、易于制備及標記等特點，已被廣泛應用于移植腎功能評估中。XU等[16]合成了一種直徑為2.5 nm且腎臟可清除的近紅外發射谷胱甘肽涂層AuNPs(GS-AuNPs)，并使用X線對其排泄過程進行監測，通過小鼠單側輸尿管梗阻模型進行檢驗，發現其排泄速度較正常腎臟明顯減慢。該研究為未來腎移植后DGF早期診斷提供了參考。由于熒光材料在體內的廣泛分布，會產生大量混雜信號，因此利用熒光材料和無創成像技術對腎臟排泄過程進行檢測的研究一直進展緩慢，但納米材料的高靶向性可有效避免該問題。研究表明利用近紅外熒光發射監測GS-AuNPs在腎臟中的分布情況，可在肌酐、尿素氮水平改變前識別早期腎功能不全，并進行準確的分期[12,17]。另外對64Cu 標記形成的64Cu-NOTA-Au-GSH，PET成像顯示其在腎臟中的排泄半衰期短于6 min，提示其對腎功能的評估準確性更高[9]。

此外，針對其他種類納米材料的研究也在進行中。如通過PET監測放射性標記的多金屬氧酸鹽簇(POM)，可準確地對單側輸尿管梗阻模型腎功能進行分期[10]；也有研究報道熒光二氧化硅納米粒子、碳點、鈀納米片及DONs等在腎臟中分布及其排泄情況，未來也可望用于對腎臟功能的監測[18]。

2.2 移植后排斥反應的無創檢測

侵入性活檢是評估是否發生腎臟排斥反應的金標準。現有的早期識別腎臟排斥反應的非侵入性檢測指標主要包括肌酐、尿素氮及特異性生物標志物，此外納米材料參與的評估方式也許是可行的。絲氨酸蛋白酶顆粒酶B是由受體T細胞在急性細胞排斥反應發作期間產生的，可以作為早期排斥反應的非侵入性生物標志物。基于此，MAC等[19]設計了一種與絲氨酸蛋白酶顆粒酶B結合的肽底物納米顆粒，可以對T細胞介導的排斥反應進行早期識別，對皮膚移植后急性排斥模型小鼠全身給藥后，發現肽底物納米顆粒優先積聚在同種異體移植組織中，被顆粒酶B切割后，釋放出一種熒光報告分子，并通過腎臟過濾到受體的尿液中。該研究證實在移植組織排斥特征明顯之前，尿液分析便能在早期高靈敏度和特異度地判斷出排斥反應是否發生。但目前針對腎臟移植排斥反應的相關研究較少。

MRI相較于CT有著更高的軟組織分辨率，常被用于異常病理解剖的診斷。HULTMAN等[20]研制出了一種可以用于MRI檢測和靶向腎臟輸送的超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIO)。CHAE等[21]以SPIO標記巨噬細胞，通過MRI檢測其分布情況，并在同種異體移植排斥模型中，觀察到了SPIO標記巨噬細胞的歸巢。AGHIGHI等[8]合成了一種可被巨噬細胞吞噬的超小SPIO，用于監測兒童腎移植患者的免疫狀態，發現發生AR的腎臟同種異體移植物在MRI影像中T2值明顯延長。但目前相關研究仍較少，還需要大量的研究進行詳細闡述。

2.3 腎臟損傷生物標志物的檢測

對胱抑素C(CysC)、中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(NGAL)和腎損傷分子-1(KIM-1)等新型生物標志物的快速檢測，是腎移植術后評估腎臟損傷的關鍵[22]，而利用納米粒子作為監測傳感器可以有效地改進現有的檢測手段。LOPES等[23]采用AuNPs以增加傳感器表面積體積比來改善電化學信號，使得免疫傳感器能夠更加靈敏地對CysC進行測量，該傳感器可在極少樣品量(微升級)下顯示出極高的精密度和準確度。YANG等[24]則應用鉑納米顆粒來提高電子轉移效率，構建了一個電化學發光系統生物傳感器來確定KIM-1的水平。另外有研究用原位還原方法將具有氧化還原活性的普魯士藍納米顆粒沉積在石墨C3N4納米片上，再以抗NGAL抗體進行修飾后，作為傳感器，證實其可快速準確地檢測NGAL濃度[25-26]。因此，使用納米材料可有效提高現有檢測方式的靈敏度，及時預知腎移植術后早期并發癥的發生，提高患者預后。

3 納米材料對IRI的治療作用

IRI是腎移植術后不可避免的病理生理狀態之一，是原發性移植腎無功能的最重要機制之一。長期結局方面，其與腎間質纖維化和腎小管萎縮引起的慢性移植物功能障礙有關[27]。傳統小分子藥物由于機體清除速度快、血液滯留率低和全身劑量要求大等原因致療效不理想。目前有研究利用腎蓄積納米材料，通過清除過量的活性氧(ROS)、中和腎毒素或靶向腎前藥遞送來改善移植后IRI[2]。

DNA納米技術的發展為構建不同結構、大小的DONs提供了可能，同時DONs結構中的堿基還可以有效清除缺血再灌注所產生的ROS[28]。JIANG等[13]對DONs在腎臟中的分布及清除情況進行了研究，發現其可以在腎臟中停留長達12 h，為腎臟IRI的治療提供了可能。CHEN等[29]將矩形DONs和抗補體成分C5a配體結合，構建了一種可以序貫預防治療腎臟IRI的納米材料(aC5a-rDONs)，并發現其可在小鼠腎蒂鉗夾動物模型中雙相地防治腎臟IRI。aC5a-rDONs可以在缺血再灌注的前8 h內有效清除在Ⅰ期產生的ROS，之后則表現出C5a與aC5a配體競爭性結合以抑制Ⅱ期的炎癥反應。這種新的階段性敏感序貫療法可針對IRI每一階段的不同病理生理改變進行針對性處理，體現出更高的療效和靶向性。此外，值得注意的是，與游離形式的氮氧自由基相比，依賴pH調節的抗氧化劑釋放系統具有更高的治療效果和更低的毒性，可用于精準化治療。YOSHITOMI等[11]建立了一種pH響應型含氮氧自由基共聚物(RNPpH)，用于清除ROS以治療IRI導致的AKI，該分子可在pH值低于7.0時分解產生氮氧自由基清除ROS。RNPpH的應用可以顯著改善腎臟功能并減輕腎臟IRI。MINAMI等[30]還合成了一種含有香草醇的具有抗氧化活性的共聚草酸酯分子(APP-103)，并證實APP-103可減輕熱缺血(腎蒂鉗夾)和長期冷缺血(同基因腎移植)模型中的組織損傷和IRI相關炎癥反應。此外，大量的研究證實，傳統中藥提取物黃連素具有良好的ROS清除作用，囿于其較低的腎臟富集特性，XIE等[31]合成了黃連素納米顆粒以提高其生物利用度，并證實其可以顯著減輕腎臟IRI。

此外，在其他原因所致AKI中，也有較多針對可清除腎臟ROS的納米材料的研究。如在橫紋肌溶解導致的AKI中DONs可有效結合ROS，減輕氧化應激損傷[13]。Mn2+螯合黑色素納米粒子基于黑色素實現抗氧化作用[32]，黑磷納米片自動分解產生磷氧化物以中和腎臟ROS[33]等研究，均顯示可以較好地防治AKI。

除了直接利用可在腎臟中蓄積的納米材料作為還原劑對ROS進行清除以減輕IRI引起的AKI外，納米酶的研究也備受關注，其具有成本低、穩定性高、制備簡便等優點[34]。一系列具有多酶活性的納米材料，已被創新地用于治療由ROS引起的各類疾病[35]。基于二氧化鈰納米粒子的廣譜ROS清除能力和多種酶活性，ZHANG等[15]構建了超小二氧化鈰納米酶作為ROS清除劑用于橫紋肌溶解誘導的AKI治療，取得了良好的治療效果。RuO2納米顆粒有良好生物相容性和酶樣活性，還具有過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶等多種酶活性,可顯著減輕小鼠AKI損傷程度[14]。VEMURI等[36]研究表明，以凝血酶為靶點的全氟化碳納米顆粒(PFC-NP)可減輕腎臟動脈閉塞后IRI，并證實用PFC-NP灌注同種異體腎移植物可減輕移植物損傷，保護移植物功能。

4 納米材料參與組成的藥物遞送系統在腎移植術后免疫抑制中的應用

免疫抑制劑的使用降低了急性移植物排斥的總體發生率，但同時也會引起感染、心血管疾病、糖尿病和惡性腫瘤等并發癥。納米材料的理化性質可以極大地改變免疫抑制劑藥物代謝動力學，延長藥物的血液循環時間，降低其在非靶器官的生物分布，從而達到將藥物靶向遞送至特定器官、組織或細胞的目的。大量研究發現，納米顆粒具有腎小球沉積的固有傾向，可將藥物特異性輸送到腎臟[6]。

糖皮質激素對腎臟移植后的免疫抑制作用不可或缺，但其大量不良反應限制了其使用。Fc受體是一種細胞表面糖蛋白，為主要的IgG Fc受體，能夠促進IgG易位。此外，Fc受體還是一種白蛋白的天然受體。WU等[37]研究合成了一種牛血清白蛋白-甲強龍納米材料(BSA-MP)，在pH 7.4時，該分子穩定，沒有MP分子釋放，但是在pH 4.0時，大多數MP分子被釋放。動物實驗顯示出其可以富集于腎臟中，為腎臟靶向性的糖皮質激素輸送提供了可能。JIA等[38]設計合成了一種基于聚乙二醇的地塞米松短鏈大分子前藥(ZSJ-0228)，可以在腎臟中有效發揮作用，并降低其不良反應發生率。此外基于與抗E-選擇素抗體結合的脂質體(AbEsel脂質體)進行糖皮質激素的輸送也被證明是有效的。對脂質體包裝的潑尼松龍和常規潑尼松龍在急性腎移植排斥小鼠模型中的作用進行比較[39]，結果顯示與常規潑尼松龍相比，脂質體潑尼松龍的腎臟生物利用度明顯增加，巨噬細胞和淋巴細胞的數量減少，減少了同種異體移植物中的細胞浸潤，Banff 評分顯示間質炎癥和腎小管炎減輕，fMRI分析顯示同種異體移植物灌注得到改善，對T細胞介導的排斥反應治療效果較好。

此外，提高新型免疫抑制劑(如他克莫司、霉酚酸酯、雷帕霉素等)的靶向性研究也在持續進行中。目前他克莫司相關納米分子在心臟移植、角膜移植及類風濕關節炎治療中效果較好[40]，但針對腎移植相關研究缺如。UEHARA等[41]開發一種直接遞送和緩釋霉酚酸酯的系統，在移植前用載有霉酚酸酯納米顆粒灌注供體小鼠心臟，通過抑制移植物內促炎細胞因子和趨化因子的產生來抑制慢性同種異體移植排斥反應。研究表明，使用納米載體攜帶免疫抑制劑進行給藥，靶向抑制同種異體移植排斥反應的方法在臨床中是可行的。SUANA等[42]設計出了一種含有霉酚酸酯的靶向大鼠系膜細胞中的Thy1.1抗原 (OX-7)的免疫脂質體，研究證實效果優于傳統給藥方式。此外使用靶向于足細胞的脂質體包裹雷帕霉素進行給藥也已被證明是可行的。

5 未來發展的前景及局限性

綜上所述，目前在腎臟移植及其相關領域納米材料的應用研究中，主要涉及到腎功能的評估、排斥反應的早期診斷、IRI的治療及對于免疫抑制劑給藥方式的改良。以往研究認為納米材料的腎臟清除是臨床轉化的主要障礙，但是目前的研究表明，通過改變納米材料的尺寸、形狀、表面電荷和組成即能有效控制納米材料與腎臟的相互作用[2]。新興的“納米結構-效應關系”理論已經促成了許多納米材料的臨床應用。目前已有大量的納米材料進入臨床試驗階段，大部分已獲批用于癌癥的診斷和治療，其積累的臨床轉化經驗為開發用于腎臟功能評估和治療的新型納米材料提供了有效參考。

納米材料在腎臟移植領域中的應用仍存在著大量需要解決的問題。一方面，大多數研究僅關注了納米材料在腎臟排泄的過程，而忽略了其在肝臟的排泄。隨著血液循環，大量納米材料由網狀內皮系統吞噬進入肝臟代謝。另一方面，大量研究表明中等大小納米材料可有效地靶向腎小管上皮細胞[43]，這也提示目前研究還僅停留在GFB層面上，而對管周毛細血管內皮細胞內吞作用、轉運蛋白介導的腎臟積累等的研究亦是很有必要的。

此外，腎臟移植術后腎功能評估及排斥反應的早期診斷一直以來都是研究和關注的熱點，而對于腎移植術后并發癥的早期診斷研究較少，多是局限于對巨噬細胞歸巢的觀察。應用納米分子替代肌酐、尿素氮進行eGFR計算及腎功能評估相關研究也較多，但均處于動物實驗階段，如何將其進行臨床轉化將會是未來的研究方向之一。

目前針對腎移植術后IRI的小分子保護劑水溶性較差，或存在生物不穩定性問題，利用納米材料進行設計給藥可有效解決此類問題。大量研究表明納米材料的理化性質決定了藥物藥代動力學特性，因此將小分子腎臟保護劑設計為納米材料，可有效增加其水溶性，從而提高其生物利用度。此外將已有腎臟保護劑設計為依賴pH調節的抗氧化劑釋放系統，可使其在血液循環和腎臟組織中持續釋放小分子藥物，從而實現長效且靶向作用，減輕腎臟IRI。

通過納米材料改良免疫抑制劑給藥方式，也是未來發展方向之一。通過腎臟的靶向給藥，可以抑制腎移植術后早期免疫識別，并誘導后期的免疫耐受，改善腎臟移植術后的免疫狀態，提高腎臟長期生存率，同時由于降低了其在非靶器官的劑量，也減少了并發癥的發生。但目前相關研究仍然較少。

隨著精準醫療理念的不斷深入，在腎移植患者的管理過程中，快速準確地對腎功能評估、并發癥的及時診治及低不良反應的免疫抑制方案選擇一直以來都是眾多研究者關心的問題。納米材料因其具有可編輯、高靶向等特性，成為了移植領域相關研究的熱點[4]。腎移植術后IRI的研究一直以來囿于小分子藥物富集性差、發揮作用時間短的問題，而可富集于腎臟的納米材料則可有效解決以上問題。納米材料因其高靶向性的特點，為腎移植術后精準、高效、低毒的免疫抑制方案的制定提供了可能性。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。

ConflictsofInterest： All authors disclose no relevant conflicts of interest.

作者貢獻：栗澤鵬、丁晨光、董博清參與了實驗設計；栗澤鵬、丁晨光、鄭瑾、薛武軍參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意發表該論文。

Contributions： The study was designed byLIZepeng,DINGChenguang, andDONGBoqing. The manuscript was drafted and revised byLIZepeng,DINGChenguang,ZHENGJin, andXUEWujun. All the authors have read the last version of the paper and consented submission.