生物膜仿生纳米颗粒在药物传递体系中的研究进展

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[摘要] 生物膜涂层纳米技术是一种新兴的纳米载药仿生策略。该策略将具有不同特性的各种生物膜作为功能材料覆盖在载药纳米粒子表面，避免了传统化学手段修饰纳米颗粒的繁冗过程。得益于生物膜的伪装功能，这类仿生纳米载体获得原生物膜的天然属性，不仅本身的生物相容性得到解决，同时还具备体内长循环、病灶靶向等特点，目前已成功运用于药物呈递，在疾病精准诊断和治疗领域展示了广阔的应用前景。本文初步探讨了仿生纳米颗粒在药物传递体系中的研究进展，并对其未来研究进行展望。

[关键词] 生物膜；仿生；纳米颗粒；药物传递

[中图分类号] R945.1 [文献标识码] A [文章编号] 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

纳米载体通过包封或者吸附等手段，将药物整合于纳米材料中，形成药物纳米颗粒，实现有效的药物传递。区别于传统的载药体系，纳米载体具有特殊的优越性，如高载药率、药物控释、被动靶向功能等[1-2]。纳米颗粒的另外一个主要的特性在于其表面可以修饰功能基团，如修饰叶酸、多肽等，在疾病的诊断和治疗方面展示了明显的优势[3-4]。然而功能基团的引入往往使制备过程复杂化，并给纳米颗粒的生物应用带来潜在的不可控因素，如存在免疫原性等问题，从而限制了纳米药物传递系统的发展[5]。受自然界生物系统的启发，生物膜仿生的思路开始引起科学家们的兴趣[6]。近年来研究人员提取各种生物膜修饰纳米颗粒表面，合成了多功能的仿生纳米颗粒。这类生物膜涂层纳米颗粒由纳米核心和天然生物膜壳构成，拥有纳米核心的高度选择性，兼具有生物膜天然属性的特性，目前成功运用于药物呈递，在医药學领域展示了广阔的应用前景。本文主要探讨生物膜仿生纳米颗粒在药物传递体系中的最新研究进展，并对其未来研究进行展望。

1 非特异性红细胞膜仿生纳米药物传递系统

红细胞是一种天然的在体内具有长循环的细胞，其循环寿命长达100～130 d[7]。在红细胞表面会表达一种跨膜糖蛋白CD47，该分子蛋白可以与SIRPα形成信号复合物，产生抑制性调节信号，抑制免疫细胞对红细胞的吞噬作用，从而使红细胞在体内维持长循环[8-9]。将红细胞膜作为功能化材料修饰于传统纳米颗粒表面，是提高药物体内循环半衰期的一种新型仿生策略。Hu等[10]通过简单的物理挤压法将红细胞膜覆盖在聚乙交酯丙交酯（PLGA）纳米核心表面，得到红细胞膜仿生纳米颗粒（RBC-NPs）。RBC-NPs的红细胞膜涂层在制备过程中保留了大多数原有膜蛋白，且其中CD47的蛋白密度与天然红细胞膜上的密度接近。得益于红细胞的“隐身”涂层修饰，这种生物膜纳米颗粒可有效“躲过”免疫系统识别，避免被免疫细胞吞噬，进而实现在生物体内的长循环。研究结果显示，巨噬细胞对RBC-NPs的吞噬作用降低了64%，大大增加了药物的递送率。Chen等[11]利用红细胞膜包裹中空普鲁士蓝纳米粒子，证明红细胞膜伪装的纳米药物不仅能有效避免体内巨噬细胞的吞噬，还能减少细胞因子TNF-α的分泌，明显延长纳米粒子在血液中的循环时间，并降低纳米粒子在网状内皮系统的富集。Su等[12]将红细胞膜包覆于聚己内酯纳米粒子表面，制备出半衰期长达32.8 h的仿生的纳米颗粒，是未经细胞膜修饰的纳米颗粒的5.9倍。Rao等[13]利用红细胞膜将纳米颗粒伪装成天然生物粒子，通过酶联免疫吸附试验证明红细胞膜仿生纳米颗粒并不会引起动物血清中IgM和IgG水平的升高，即不会引起免疫反应。该团队同时运用血液生化指标证实红细胞膜仿生纳米颗粒不具有肝肾毒性，这些对红细胞膜仿生纳米颗粒生物应用的体内安全性提供了重要的参考价值。

在红细胞膜仿生技术不断发展的环境下，研究人员通过灵活设计纳米颗粒的核心，使红细胞膜涂层的长循环纳米药物传递系统得到广泛应用。例如，Rao等[14]利用微流体电穿孔将Fe3O4磁性纳米粒子导入红细胞膜囊泡中，实现了高效大批量细胞膜仿生纳米颗粒制备，并成功用于肿瘤磁共振成像和光热治疗。Gao等[15]将全氟碳（PFC）封装在红细胞涂层的纳米颗粒里，制备出直径约为290 nm的人工红细胞（PFC@ PLGA-RBCM）。具备体内长循环特性PFC@PLGA-RBCM同时拥有PFC的载氧能力，可以明显改善肿瘤缺氧，提高放射性治疗效果。这一仿生策略成功将血液替代品PFC整合至纳米材料中，更好地模仿了天然红细胞的循环载氧功能，在血液输送领域展现了良好的应用前景。

2 特异性生物膜纳米药物传递系统

特异性纳米载药体系可以将药物准确传递至病灶位置。它是以病灶为靶点，通过合理设计药物载体，将药物以被动靶向或主动靶向两种模式递送到靶点，增加靶点位置的药物聚集，同时减少药物对正常组织器官的毒性[16]。以生物膜包裹纳米载体构建仿生体系，在避免繁冗修饰过程的同时，还可以使纳米颗粒获得更优异的主动靶向效果。这一仿生体系在肿瘤和炎症靶向领域已有不断深入的研究，具有重要的应用前景。

2.1 肿瘤靶向生物膜纳米药物传递系统

癌症的治疗一直是科学家们努力攻克的目标之一。近年来，癌细胞膜涂层纳米载体的概念引起了研究者的广泛兴趣。该类仿生膜载体将纳米药物伪装成癌细胞，利用癌细胞表面黏附分子相互识别和黏附的特性，将药物主动靶向到病灶，从而实现药物的富集和有效治疗[17]。目前，以各种癌细胞膜伪装纳米载体的设计和应用已成为当前诊断和治疗肿瘤的研究热点。Fang等[18]采用微孔膜挤压法将人乳腺癌细胞（MDA-MB-435）膜包裹在PLGA纳米颗粒上，制备出具备肿瘤靶向的仿生纳米颗粒。研究结果显示，MDA-MB-435细胞对该仿生纳米颗粒的摄取比普通的PLGA粒子提高近20倍。为验证癌细胞膜涂层纳米颗粒在活体水平上的肿瘤靶向效果，Chen等[19]提取人乳腺癌细胞（MCF-7）膜伪装PLGA纳米颗粒得到ICNPs。ICNPs表面的细胞膜保留了原有的黏附分子，在体内能通过靶向识别高度富集在肿瘤部位，其富集量比普通纳米颗粒提高3.1倍。Zhu等[20]提取不同株的癌细胞膜裹在纳米颗粒上，体外实验证明癌细胞包被的纳米颗粒仅能被同源的肿瘤细胞（即同株肿瘤细胞）高效自我识别和摄取，从而实现主动靶向性。进一步研究发现，在小鼠荷有两种不同株的肿瘤模型中，癌细胞涂层的纳米颗粒对于异型肿瘤不具备富集效果，但对同源肿瘤却具有高度靶向能力，这意味着通过调节癌细胞膜的来源就可以精确地诊断或治疗各种肿瘤。

癌细胞膜仿生工程赋予纳米药物传递系统优异的肿瘤靶向能力，利用这一平台，科研人员可以实现更加精准的肿瘤治疗。例如Li等[21]构建了一种肿瘤靶向级联生物反应器并嵌入到由癌细胞膜修饰的卟啉金属有机骨架中。该体系靶向至肿瘤后可以与葡萄糖氧化酶以及过氧化氢酶相作用，在肿瘤细胞的饥饿和光动力治疗实验中取了不错的疗效。Tian等[22]将氧载体血红蛋白和阿霉素整合至癌细胞膜涂层的纳米体系中，合成了具有同源靶向和供氧能力的仿生纳米颗粒。该仿生体系能显著改善缺氧诱导的化疗耐药，并有望应用到其他需氧治疗体系中，以进一步提高治疗效率。

随着癌细胞膜仿生纳米靶向体系的研究日渐深入，其他种类的细胞膜赋予纳米颗粒肿瘤靶向能力的潜能也被逐漸开发出来。例如，基于巨噬细胞膜蛋白识别肿瘤内皮细胞的能力，Xuan等[23]采用巨噬细胞膜伪装的介孔二氧化硅纳米粒子。结果显示，该仿生纳米载药体系在肿瘤部位的富集效果比普通颗粒明显增强。类似的，Krishnamurthy等[24]以单核细胞伪装的PLGA纳米颗粒为研究对象，证明其肿瘤靶向能力能更有效杀伤肿瘤细胞。为抑制癌细胞转移，Kang等[25]制备了中性粒细胞膜仿生纳米颗粒（NMNP-CFZ）。NMNP-CFZ在体内能捕获血液中肿瘤循环细胞，并靶向至肿瘤转移前微环境，取得了良好的抗肿瘤转移效果。值得注意的是，这类的仿生纳米药物传递系统对肿瘤的靶向可能具有非专一性，但同时也意味着具有更广泛的生物应用。

除细胞外，其他生物膜涂层，如细菌也可以使纳米载药体系获得肿瘤靶向能力。细菌是导致人类出现疾病的重要病原体之一，能引起机体局部或全身感染。随着生物工程的发展，改造后的细菌逐渐被当作载体用于传递药物，细菌膜靶向肿瘤能力也被发开出来。例如，Gujrati等[26]对突变大肠埃希菌菌株（对人细胞具有低毒性）进行生物改造后，其膜表面表达对人表皮生长因子受体2（HER2）有高度亲和力的分子，并以此为配体，使细菌获得对肿瘤特异性靶向的能力。随后，该团队提取这种细菌膜制备成携带siRNA的仿生纳米囊泡（AffiHER2OMVsiRNA）。实验证明，AffiHER2OMVsiRNA在动物模型中并没有任何毒副作用，而且还能实现靶向基因沉默，进而抑制肿瘤的生长，抑瘤率高达66.34%，这对于细菌改造抗肿瘤研究具有重要意义。

2.2 炎症靶向生物膜纳米药物传递系统

炎症是具有血管系统的活体组织对损伤因子所发生的防御反应，是临床常见的一种病理过程。炎症区域靶向精确给药有助于伤口愈合，防止并发症的发生。Parodi等[27]将白细胞膜修饰在多孔硅纳米上，通过免疫印迹和流式细胞仪分析证明膜上保留CD45、CD3z等多种蛋白，使得该仿生纳米颗粒可以延缓单核吞噬细胞系统的摄取，并与炎症内皮细胞结合，将药物靶向传递至炎症部分以发挥更好的疗效。

炎症发生时，大量存在于血管内皮下的蛋白质，如胶原蛋白会暴露出来，血小板通过这些位点选择性粘附而发挥凝血和止血的功能[28-29]。利用这一特性，Hu等[30]从血小板中分离出细胞膜，随后覆盖在PLGA纳米颗粒的表面，形成直径约为100 nm的血小板仿生纳米颗粒PNP。该仿生颗粒的膜保留了大多数蛋白，包括免疫调节蛋白，整合素组件和其他跨膜蛋白，这赋予了PNP类似血小板的属性。实验证明，当PNP携带多西紫杉醇（一种被用于预防瘢痕组织在受损血管内壁形成的药物）时，以动脉受损的老鼠模型体内注射，PNP可以有选择性地聚集到动脉受损的位置并治疗，防止血管内膜过度增生。这一治疗平台有望用于矫形手术后，防止细胞增生导致的动脉和瓣膜狭窄，如心瓣再狭窄等问题。研究还显示，PNP可以与病原体进行结合，用于抗生素靶向给药，更有效预防和治疗炎症。以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）为对象，PNP与 MRSA结合效率比普通的纳米颗粒提高12倍。研究人员进一步以感染MRSA的小鼠为模型，将携带万古霉素（剂量仅为临床剂量的1/6）的PNP注入体内。实验证明，该治疗组小鼠器官（肝脏和脾脏）内细菌数比接受临床剂量的小鼠低1000倍。这一血小板仿生纳米药物传递系统为细菌感染的治疗搭建了一个崭新的平台。

3 結语

生物膜仿生纳米颗粒的出现和发展规避了传统化学手段功能化纳米颗粒的繁冗修饰过程及其可能带来的不利因素。由于表面的膜涂层在制备过程中保留了原有的膜蛋白、多聚糖和脂质层，生物膜仿生的纳米颗粒获得了原生物膜固有属性的特性。基于这些特性，该类仿生纳米体系本身的生物相容性得到解决，同时还能显著延长药物的血液循环时间，或者将药物特异性投递到病灶位置，从而取得更好的治疗效果。

尽管生物膜仿生纳米载药体系在实验研究中取得了不错的进展，但我们也必须意识到研究尚处于起步阶段，还有很多挑战需要克服。首先，该纳米仿生工程将整个生物膜移植到纳米颗粒表面，虽然科研工作者证明一些相关膜蛋白在识别和黏附中扮演重要角色，但却缺乏对整体膜蛋白（包括蛋白类型和空间结构）作用机制的探讨。这一探讨虽然工作量巨大，但可以帮助我们充分了解相关机制。其次，生物膜仿生纳米颗粒的质量控制的一个亟待解决的问题。生物膜的提取和制备过程中需避免引入污染物（如热原、病毒等），并防止膜蛋白的变性，从而保证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从天然的细胞或者细菌上提取，这一定程度上限制了生物膜的来源，影响其进一步研究。

总之，具有优异仿生效果的生物膜涂层纳米载药体系，可以通过灵活的调整纳米核心和生物膜涂层的种类而获得更广泛而又精确的应用，使得疾病的诊断和治疗更加高效。

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