用于药物递送的细胞膜伪装纳米颗粒外文翻译资料

用于药物递送的细胞膜伪装纳米颗粒

原文作者Brian T. Luk 单位 Department of NanoEngineering, Moores Cancer Center, University of California, San Diego, La Jolla, United States

摘要：纳米颗粒只是聚集相对多一点并且具有改善许多药物的治疗指数的巨大优势。虽然纳米载体介导的药物递送的常规方法主要集中在合成方法，但是将合成纳米颗粒与天然生物材料组合的工程方法最近。特别是细胞膜伪装的纳米颗粒是一类新的仿生纳米颗粒，其组合了细胞膜的独特功能和合成纳米材料的多功能性，用于有效递送治疗剂。在这里，我们总结最近在细胞膜包被纳米粒子的药物输送的进展。我们特别归纳以下三个方面：

（i）通过细胞膜涂层延长体循环，（ii）通过细胞膜涂层的细胞特异性靶向，（iii）用于药物递送的细胞膜涂层的应用。细胞膜伪装的纳米颗粒平台作为新的递送方法的出现，具有改善治疗各种疾病治疗功效的潜力。

1.前言

目前在临床中使用的大多数药物分子是非靶向的并且生物利用度较差^[1]，导致快速排泄和非特异性毒性以及其他不良反应^[2]。游离药物在给药后在整个机体内趋于集中在肝脏、肾脏等地方，因此需要大剂量才能在所需作用部位达到足够的浓度。 由于传统治疗方法的这些缺点，需要更新和改进方法来实现药物分子治疗指数的改善。

基于纳米粒子的递送系统优于游离药物分子^[3-5]。纳米颗粒能够通过众所周知的增强渗透性和保留（EPR）效应，通过肿瘤位点的泄漏脉管系统外渗而优先在肿瘤位点累积^[6-9]。此外，合成纳米颗粒可以具有期望的特性，例如延长的循环半衰期，改善的药物包封和持续或触发的药物释放^[10,11]。取决于它们的应用，纳米颗粒也可以被设计成具有特定的物理化学性质，包括粒径，表面电荷，疏水性/亲水性和几何形状^[12-15]。这些特征更有效地将治疗剂递送至所需的作用部位。使用主动靶向策略，通过将靶向配体（例如小分子，肽，抗体和寡核苷酸适配子）结合到纳米颗粒表面上，可以进一步增强纳米颗粒在患病部位的优先积聚^[16-18]。此外，许多生物相容性和生物可降解材料，例如聚（D，L-乳酸-共-乙醇酸）（PLGA），聚（乳酸）（PLA），聚（谷氨酸）（PGA），聚（己内酯）（PCL），N-（2-羟丙基）-甲基丙烯酸酯（HPMA）和聚（氨基酸），为体内给药提供了安全和递送手段^[19,20]。

通过致力于聚合物合成和设计方法，聚合物纳米粒子现在可以有效地制造和通过微调以获得大规模的最佳性能^[21-23]。这种改进的制造技术有助于治疗性纳米载体的基础研究到临床应用，导致纳米制剂在临床试验的增多。在最著名的纳米治疗候选物中有CRLX101 ^[24,25]，BIND-014 ^[22]，CALAA-01 ^[26]和Genexol-PM ^[27,28]，所有这些都被证明具有较好的药理学性质以及在临床试验中对多种癌症有治疗的作用。基于这样令人鼓舞的临床结果的成功，研究人员继续研发了用于药物递送的多种新材料和纳米结构。特别是已经出现的新的工程策略，结合人工合成的纳米粒子与天然生物材料创建受自然启发的仿生传递系统^[29-32]。这些混合系统具有来自两个领域的优点：合成材料的可定制性和灵活性，以及天然材料的功能性和复杂性。 沿着这些方向，使用天然细胞膜包被用于生物功能化的合成聚合物纳米颗粒最近已引起了人们的兴趣^[33-35]。使用这种方法，从天然细胞上收集完整的细胞膜，随后包被到合成的纳米颗粒表面上。所得的细胞膜包被的纳米颗粒具有合成纳米材料的高度可调的物理化学性质以及宿主细胞膜的高度复杂的功能。此外，细胞膜涂层提供了理想的用于跨膜蛋白锚定的双层介质，允许制备高功能性仿生纳米颗粒。

通过利用源细胞膜的天然功能，细胞膜包被的纳米颗粒在各种疾病的治疗剂的递送中具有巨大的潜力。虽然相对纳米药物领域最近的发展，这些仿生纳米粒子在纳米颗粒药物递送中显示出巨大的前景^[36-38]。 在这篇文章中，我们提供了细胞膜涂层纳米药物交付进展的概述。 我们特别强调三个领域：（i）用于延长体循环的细胞膜涂层，（ii）用于主动靶向递送的细胞膜涂层，（iii）用于药物递送的细胞膜涂层的应用。利用天然细胞膜的复杂性质，膜伪装的纳米颗粒已经作为具有改善药物递送和治疗功效能力的新型纳米治疗剂。

通过细胞膜伪装延长系统循环

纳米医学的主要目标之一是实现治疗性纳米载体的长循环。长循环纳米颗粒具有显著的临床影响，因为它们具有持续的全身递送和通过被动和主动机制改善靶向的潜力^[4,10]。 目前金标准增加体循环通过“隐形”涂层是使用聚乙二醇（PEG）。 PEG通过稳定纳米颗粒并保护它们免受调理作用而改善循环。PEG已被大量使用，并已被纳入几种临床产品中^[38]。然而，最近发现的抗PEG免疫应答已经吸引研究人员探索隐形涂层的其他选择^[39]。 其他合成两性离子由于它们具有形成防止非特异性蛋白质吸附的水合层的能力，已经提出了诸如聚（羧基甜菜碱）和聚（磺基甜菜碱）的材料作为PEG的替代物^[40,41]。

分子和细胞生物学的最新进展激励了科学家更多地使用和模仿天然材料。特别是，研究人员从红细胞（RBC）中获取灵感，红细胞是大自然的长循环递送载体。RBC的性质，例如其结构，表面蛋白质和功能，已被作为开发下一代递送平台的设计线索^[42-45]。虽然生物医学研究者为了弥合合成和天然生物材料之间的差距已经做出巨大努力，但是RBC模拟递送载体仍然难以实现。这个目标面临的主要挑战是难以构建纳米颗粒和生物细胞固有的复杂表面化学官能化。由于与RBC膜相关的蛋白质的丰度，多样性和复杂性，常规化学缀合方法在实现该目标方面是不切实际的。这些自下而上方法在复制纳米级底物上的天然细胞膜的复杂组成方面仍然不足。

细胞膜涂覆技术提供了自上而下的方法，通过将RBC膜整体直接移位到合成纳米颗粒上用于长循环来解决上述难点。这些RBC膜伪装纳米粒子（RBC-NP）的制备分为两部分：来自RBC的膜囊泡衍生和囊泡-粒子融合（图1a）。从全血分离RBC并进行低渗处理以除去其细胞内组分。然后将清空的RBC洗涤并通过多孔膜挤出以产生RBC膜衍生的囊泡。为了合成RBC-NP，通过机械挤压将RBC囊泡与预先形成的聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）纳米颗粒融合。所得RBC-NP显示出核-壳结构，RBC膜在聚合物核周围形成单个双层（图1b）。从纳米工程的角度来看，这种隐身功能化的方法，在纳米尺度基材上的仿生功能方面提供了前所未有的控制。通过将细胞膜整体移位到纳米颗粒上，细胞表面的复杂生物化学性质也可以完全地易位^[33]。对RBC-NP的表面化学的仔细研究，证明纳米颗粒具有与其源RBC相同的CD47密度^[46]。更重要的是，蛋白质显示几乎完全以右侧外方式定向，细胞外部分显示在RBC-NP表面上。 这种 外侧定位归因于带负电荷的PLGA核和源RBC膜的胞外侧上的带负电荷的唾液酸基部分之间的静电排斥^[47]。存在于RBC膜上的外质聚糖还用于将膜正确地定向在RBC-NP上并提供稳定效果;不像裸PLGA纳米颗粒，RBC-NPs在磷酸盐缓冲溶液和血清中保持稳定。此外，正确定向的膜涂层能够显著阻碍体外RBC-NP的巨噬细胞摄取^[46]。

也许RBC膜涂层的最重要的性质是该技术赋予纳米级基材令人印象深刻的隐形性能。与类似的PEG化制剂相比，RBC-NP具有明显更长的消除半衰期，表现出对小鼠中RBC膜（图1c）^[33]。基于两室模型，计算与PEG涂覆的纳米颗粒的15.8小时进行比较，RBC-NP的消除半衰期为39.6小时，。总的来说，当涂覆在纳米级的基材上时，RBC膜涂层具有免疫逃避性质，允许长的循环性质对于药物递送是至关重要的。 RBC膜涂覆技术已经扩展到聚合物以外的材料，包括金^[48,49]和明胶^[50]。这些研究结果突出了膜覆盖的纳米粒子的优势，其为对免疫清除的多方面性质的自伪装提供策略。

图1（A）RBC膜伪装纳米颗粒（RBC-NPs）的制备过程示意图。 RBC膜衍生的囊泡与聚合物纳米颗粒核心结合形成最终的RBC-NP。（B）用乙酸双氧铀复染的RBC-NP的TEM图像。可以看到RBC-NP的透明核 - 壳结构。（C）RBC-NP在小鼠中的体内循环时间。 荧光标记的RBC-NP通过小鼠的尾静脉静脉内注射。在各个时间点，眶内抽取血液并测量荧光，以评价纳米颗粒的体循环寿命（每组n = 6）。

经参考文献的许可转载^[33]。

通过细胞膜涂层的细胞特异性靶向

细胞特异性靶向是疾病治疗中纳米载体的理想特征，因为其在减少脱靶副作用方面具有前景。 已经采用多种化学缀合技术使患病部位结合过表达抗原的靶向配体使纳米颗粒官能化，包括基于羧基，胺基和巯基的化学^[16,51,52]。活性靶向纳米颗粒显示了在特定疾病部位的优先积累并且在临床研究中取得了令人鼓舞的结果。然而，在功能化膜包被的纳米颗粒中，必须使用不同的功能化方法以便保持位于细胞膜上的碳水化合物和蛋白质的完整性，因为膜覆盖的纳米颗粒的仿生能力取决于完整性功能的膜部分的存在。

最近开发了脂质插入方法，非破坏性官能化方法将靶向配体掺入膜包被的纳米颗粒的^[53]。在该方法中，靶向部分首先连接到脂质分子，然后插入RBC膜（图2a）。膜双层的固有流动性和动态构象允许脂质系链物理地插入到纳米颗粒上的膜涂层中。此外，不同分子量的靶向配体可以被功能化到膜包被的纳米颗粒上。例如，将小分子例如叶酸（MW = 441Da）（图2b）和大分子例如核仁蛋白靶向适体AS1411（MW = 9000Da）（图2c）插入RBC膜中，而不损害现有的RBC表面蛋白。通过脂质插入，靶向配体可以以简单有力的途径整合到细胞膜包被的纳米颗粒中。该方法还允许控制配体密度，提供一种以改进开发具有复杂表面化学的仿生纳米载体的适用性和有效性的方法。

除了用脂质插入方法向细胞膜包被的纳米颗粒引入靶向能力之外，细胞膜本身也可以用于靶向。通过利用源细胞的天然同型或异型粘附特性，可以制造靶向膜覆盖的纳米颗粒，无需其他的合成步骤。在生物学，固有细胞粘附性起重要作用，特别是癌症中。例如，许多癌细胞通过表面抗原表现出同型靶向，其具有嗜酸粘附结构域，例如癌胚抗原和半乳凝素-3 ^[54]。 这种粘附性质在导致转移和肿瘤形成中是至关重要的^[55]。

图2（A）具有靶向能力的RBC-NP的制备示意图。合成脂质配体，然后插入RBC膜，产生配体官能化的RBC膜，用于涂覆聚合物核心，形成靶向的RBC-NP。（B）与叶酸功能化RBC-NP，非靶向RBC-NP和叶酸功能化RBC-NP以及游离叶酸分别孵育的KB细胞。过表达叶酸受体的细胞显现更高的摄取。比例尺=25mu;m。（C）与AS1411官能化RBC-NP，非靶向RBC-NP和AS1411-官能化RBC-NP以及游离AS1411适体一起温育的MCF-7细胞的荧光显微镜图像。AS1411功能化RBC-NPs显示在过表达核仁素的细胞中显现更高的摄取。 比例尺=25mu;m。经参考文献的许可转载[53]。

为了利用癌细胞自身的相互作用能力，收集癌细胞膜，然后包被到PLGA纳米颗粒上（图3a）^[56]。通过低渗处理，通过机械膜破裂和差速离心，从MDA-MB-435细胞（人类雌激素非依赖性乳腺癌模型细胞系）中收集膜。在膜纯化过程期间，去除核组分，从而减轻对遗传物质的干扰。从收集的膜形成癌细胞膜衍生的囊泡，并融合到PLGA核上，使用物理方法挤出形成癌细胞膜包被的纳米颗粒（CCNP）。荧光成像显示裸PLGA核和RBC-NP相比，CCNP具有显着更高的MDA-MB-435细胞的结合和摄取能力（图3b）。使用流式细胞术进行定量分析显示，分别与裸PLGA和RBC-NP相比，CCNP的吸收增加了40倍和20倍（图3c）。这种关联是细胞特异性的，因为与裸PLGA核相比，CCNP没有显示出与异型人包皮成纤维细胞系结合的增加。

图3（A）用于同型靶向的癌细胞膜包被的纳米颗粒（CCNP）的制备示意图。（B）用PLGA核心，RBC-NP或用衍生自MDA-MB-435细胞的膜包被的CCNP孵育MDA-MB-435细胞。 CCNPs表现出显著的同型靶向能力。 比例尺=50mu;m。（C）与空白溶液，PLGA核心，RBC-NP或CCNP孵育的MDA-MB 435细胞的流式细胞术直方图（左）和定量（右）。经参考文献的许可转载 ^[56]。

细胞膜包被方法是通用的，多种靶向配体和细胞膜可用于实现细胞特异性结合和摄取。具有脂质系链的靶向配体容易插入RBC膜中形成具有靶向的长循环纳米颗粒制剂。或者可以利用许多细胞具有的自然归巢能力包被纳米颗粒。无论使用何种方法，细胞膜伪装的纳米颗粒在用于治疗剂的靶向递送以减少不利的脱靶效应方面显示出巨大潜力。

细胞膜涂层用于药物递送的应用

在结合合成材料和天然材料中，科学家能够取两者的优点。膜覆盖的纳米颗粒的天然

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