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新冠肺炎病毒治疗/检测/疫苗又有新思路?一文读懂「细胞膜仿生工程」

日期: 2020-04-26
浏览次数: 53

新冠肺炎病毒治疗/检测/疫苗又有新思路?一文读懂「细胞膜仿生工程」


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新型冠状病毒的爆发挑起了全国人民的抗疫战争。研究者们对该新冠肺炎进行各种临床分析,目前大部分感染患者症状较轻,但部分患者后期突然加重,最终死于多器官功能衰竭,原因主要是“细胞因子风暴”,细胞因子风暴在SARS、MERS和流感中都是导致患者死亡的重要原因。

细胞因子是细胞为细胞间信号传递和通讯而分泌的一组小蛋白质,功能是控制细胞增殖和分化,调节血管生成,免疫和炎症反应。细胞因子主要包括干扰素(IFN)、白细胞介素(IL)、趋化因子(Chemokines)、集落刺激因子(CSFs)、肿瘤坏死因子(TNF)。

当病毒、细菌感染人体后出现炎症,免疫细胞就会分泌细胞因子,细胞因子再激活和招募更多的免疫细胞。严重的炎症可能引起免疫系统过度激活,造成细胞因子风暴,无差别的攻击细胞,从局部开始通过全身循环传播,造成持续的器官功能障碍。所以可以通过靶向细胞因子或者细胞表面蛋白受体等进行调控以达到诊断治疗目的

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图1 病毒感染细胞因子谱[1]

01?炎症靶向治疗

炎症是由感染和组织损伤引起的自然反应。在炎症开始时,白细胞与炎症内皮细胞之间的相互作用主要是通过选择素与糖蛋白配体的寡糖残基相互作用介导的。随后,粘附和转运主要是由白细胞整合素与细胞粘附分子(CAMS)的相互作用介导的,CAMS是免疫球蛋白超家族的重要组成部分。因此,选择素和细胞粘附分子是两种主要的炎症相关分子,白细胞是主要的炎症相关细胞

通过模拟选择素或细胞粘附分子对炎症内皮细胞和白细胞的相互作用,仿生纳米粒子可以实现炎症靶向药物的传递。Parodi等人[2]通过蔗糖密度梯度纯化法从白细胞中提取膜并包覆在纳米多孔硅微粒表面,其中首先采用硅烷偶联剂对裸的纳米多孔硅微粒表面进行功能化,使其与膜涂层材料的相互作用稳定,形成类白细胞载体(LLVs)。研究认为淋巴细胞功能相关抗原-1(LFA-1)在LLVs对炎症内皮的识别和结合中起着重要的作用,LLVs粘附于内皮细胞表面可局部诱导细胞间粘附分子(ICAM-1)的聚集。在正常和炎症条件下,纳米颗粒与内皮细胞的结合量较高,而LLVs在TNF-α预处理后与内皮细胞的结合量增加一倍;同时研究了LLVs在炎症条件下,膜涂层增加了颗粒通过内皮单层的传输,从而增加了对这种生物屏障的通透性;并用多柔比星(DOX)负载颗粒评估LLVs的治疗潜力,数据表明LLVs可以成功地将DOX有效载荷通过内皮细胞并在下腔室有效释放。

除了白细胞外,血小板还会引起炎症。由于炎症总是伴随着血管损伤,在炎症部位可以激活血小板,并在受伤区域凝块,在第一阶段提供止血。因此,模拟活化血小板的仿生纳米粒子也可以实现炎症部位的靶向药物递送。

加州大学张良方团队[3]对此进行了研究,与未包被的纳米颗粒相比,血小板膜包裹纳米粒子(PNP)减少了巨噬细胞的细胞摄取,PNP还表现出模仿血小板的特性,例如对受损的人和啮齿动物脉管系统的选择性粘附。其他研究者[4]使用包裹肿瘤坏死因子a(TNF-a)(标记为NCA)纳米颗粒触发肿瘤血管炎症,使用血小板膜包裹的紫杉醇纳米粒(标记为NCB)靶向炎症肿瘤血管。结果表明,NCA可以特异性地靶向肿瘤血管并有效引发炎症,而随后实行NCB则可以轻松识别扩增的信号,并且与未包被的纳米颗粒相比,累积量提高五倍。

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图2 白细胞(1)及白细胞膜包覆纳米颗粒(2),PLGA纳米颗粒(3)和血小板膜包被的PLGA纳米颗粒(4)的TEM图[2, 3]

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02?病毒检测

细胞膜仿生工程的纳米颗粒不仅用于炎症治疗上,还能用于病毒检测。如红细胞膜用于结合和富集流感病毒[5]。病毒与细胞的附着是通过病毒表面上的血凝素与细胞膜上的唾液酸之间的相互作用开始的。

首先将RBC膜包被到含有超顺磁性氧化铁的PLGA(聚乳酸-羟基乙酸共聚物)核上[6],形成核-壳结构纳米颗粒(RBC-NP),然后使用免疫金染色和电子显微镜确认核-壳结构和膜壳层表面的大量唾液酸部分。流感病毒和RBC-NP混合后,动态光散射和纳米颗粒跟踪分析均显示颗粒大小增加,表明RBC-NP表面捕获了病毒,这种现象在病毒与PEG化纳米颗粒孵育过程中未观察到。随后使用磁场分离和富集结合的病毒。这种病毒的分离和富集对于低浓度样品或低灵敏度测定的研究和诊断很有价值。

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图3 RBC-NPs用于病毒检测[6]

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03?疫苗开发

肿瘤细胞膜纳米颗粒(CCNP)被用于抗癌疫苗,利用许多肿瘤抗原是表面标志的事实,癌细胞膜可以将多种多样的肿瘤抗原递送至免疫系统。

最初是使用B16-F10小鼠黑素瘤细胞的膜包裹PLGA颗粒进行探索的,并证实了纳米颗粒含有糖蛋白100(gp100),一种常见的黑素瘤相关抗原[7]。当将颗粒与免疫佐剂MPLA结合时,通过标记(例如CD40,CD80和CD86)的上调,它们能够非常有效地诱导树突状细胞成熟,在明视野显微镜下可以观察到树突状细胞周围的脾细胞清晰聚集,且脾细胞产生明显更多的IFN-γ。另一项研究[8]将佐剂寡脱氧核苷酸1826(CpG)封装到PLGA纳米颗粒中,并用B16-F10膜包被,形成负载疫苗的仿生纳米颗粒(CCNPs)。首先,显示出CpG在加载到纳米颗粒中之后仍然保持活性。当对小鼠皮下给药时,包被的和未包被的CpG纳米颗粒均能够引起引流淋趋承中的树突状细胞成熟,如成熟标记物CD40,CD80,CD86和MHC-II的上调。用粒子免疫后,用B16-F10癌细胞攻击小鼠,测试了CCNP疫苗的保护作用。接种CCNPs的小鼠比任何其他制剂(包括完整的B16-F10细胞和游离CpG的混合物)都能更好地排斥肿瘤细胞,其中86%的小鼠在攻击后150天内仍保持无肿瘤状态。最后,在携带B16-F10肿瘤的小鼠上测试了CCNP疫苗的治疗功效,发现CCNP连同抗CTLA-4和抗PD1检查点阻断剂的混合物可控制肿瘤的生长,并且比单独使用任何一种方法都能更好地延长小鼠生存期。


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图4 CpG-CCNP 疫苗机理图[8]

事实上,细胞膜仿生工程中细胞膜的种类很多,除了上面提到的白细胞类、血小板、红细胞、肿瘤细胞外还有干细胞、细菌等,且膜和膜间相互融合,再结合不同的纳米负载技术,已经在药物输送、成像和光活化疗法、清除毒素、免疫调节、检测等方面进行了大量的研究,且细胞膜仿生工程不限于研究领域,已经商业化并逐渐用于临床[9]。细胞膜仿生工程已经在综合诊断治疗一体化研究领域开辟了新篇章。

表1 红细胞膜药物递送系统临床研究清单[9]

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撰稿人:时代之音
编辑及校验:Daisy




参考文献

[1] José Luis Mu?oz-Carrillo,Juan FranciscoContreras-Cordero,Oscar Gutiérrez-Coronado,Paola Trinidad Villalobos-Gutiérrez,Luis Guillermo Ramos-Gracia andViridiana Elizabeth Hernández-Reyes (November 5th 2018). CytokineProfiling Plays a Crucial Role in Activating Immune System to Clear InfectiousPathogens,Immune Response Activation and Immunomodulation, Rajeev K. Tyagi andPrakash S. Bisen, IntechOpen, DOI: 10.5772/intechopen.80843.

[2] Parodi A, Quattrocchi N, van de Ven AL, etal. Synthetic nanoparticles functionalized with biomimetic leukocyte membranespossess cell-like functions.?NatNanotechnol. 2013;8(1):61–68. doi:10.1038/nnano.2012.212.

[3] Hu, C. M., Fang, R. H., Wang, K. C., Luk, B.T., Thamphiwatana, S., Dehaini, D., Nguyen, P., Angsantikul, P., Wen, C. H.,Kroll, A. V., Carpenter, C., Ramesh, M., Qu, V., Patel, S. H., Zhu, J., Shi,W., Hofman, F. M., Chen, T. C., Gao, W., Zhang, K., … Zhang, L. (2015).Nanoparticle biointerfacing by platelet membrane cloaking.?Nature,?526(7571), 118–121. https://doi.org/10.1038/nature15373.

[4] Hu, Q., Sun, W., Qian, C., Bomba, H. N.,Xin, H., & Gu, Z. (2017). Relay drug delivery for amplifying targetingsignal and enhancing anticancer efficacy.?Advanced Materials,?29(13),1605803. https://doi.org/10.1002/adma.201605803.

[5] Fang, R. H., Kroll, A. V., Gao, W., &Zhang, L. (2018). Cell Membrane Coating Nanotechnology. Advanced materials(Deerfield Beach, Fla.), 30(23), e1706759. https://doi.org/10.1002/adma.201706759.

[6] Chen, H. W., Fang, Z. S., Chen, Y. T., Chen,Y. I., Yao, B. Y., Cheng, J. Y., ... & Hu, C. M. J. (2017). Targeting andenrichment of viral pathogen by cell membrane cloaked magnetic nanoparticlesfor enhanced detection.?ACS appliedmaterials & interfaces,?9(46),39953-39961.https://doi.org/10.1021/acsami.7b09931.

[7] Kroll, A. V., Fang, R. H., Jiang, Y., Zhou,J., Wei, X., Yu, C. L., Gao, J., Luk, B. T., Dehaini, D., Gao, W., & Zhang,L. (2017). Nanoparticulate Delivery of Cancer Cell Membrane ElicitsMultiantigenic Antitumor Immunity.?Advancedmaterials (Deerfield Beach,Fla.),29(47),10.1002/adma.201703969. https://doi.org/10.1002/adma.201703969

[8] Fang, R. H., Hu, C. M., Luk, B. T., Gao, W.,Copp, J. A., Tai, Y., O'Connor, D. E., & Zhang, L. (2014). Cancer cellmembrane-coated nanoparticles for anticancer vaccination and drugdelivery.?Nano letters,?14(4), 2181–2188.https://doi.org/10.1021/nl500618u.

[9] Villa, C. H., Anselmo, A. C., Mitragotri,S., & Muzykantov, V. (2016). Red blood cells: Supercarriers for drugs,biologicals, and nanoparticles and inspiration for advanced deliverysystems.?Advanced drug deliveryreviews,?106(Pt A), 88–103.https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.02.007.

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