磁场让内皮细胞“走火入魔”,破解药物递送难题 谈医论药
来源:X-MOL 时间:2017-07-17 评论: 0 阅读: 221 A+ A-
导读

静脉给药是一种非常重要而有效的给药方式,不过血管内皮的存在导致分子量大于白蛋白(66kDa)的物质无法渗透出血管。只有当血管内皮的通透性显著增强时,蛋白质、核酸、纳米药物等才能大量穿过内皮进入组织。而大多数疾病状态下,病灶处血管内皮都保持着结构和功能的完整,导致大分子药物难以大量递送至病灶区。因此,...

静脉给药是一种非常重要而有效的给药方式,不过血管内皮的存在导致分子量大于白蛋白(66kDa)的物质无法渗透出血管。只有当血管内皮的通透性显著增强时,蛋白质、核酸、纳米药物等才能大量穿过内皮进入组织。而大多数疾病状态下,病灶处血管内皮都保持着结构和功能的完整,导致大分子药物难以大量递送至病灶区。因此,克服血管内皮障碍是药物递送要解决的一大难题。


近期,美国佐治亚理工学院和埃默里大学的Wilbur A.Lam教授与莱斯大学的Gang Bao教授等人在Nature Communications上发表论文,提出了一种新的增强血管内皮渗透性的物理方法。他们先用外磁场调控血管内皮细胞摄取磁性纳米颗粒(MNPs),再用外磁场作用于胞内MNPs,影响内皮钙黏蛋白和F肌动蛋白的相互作用,扰乱血管内皮黏着连接,从而靶向增强特定区域血管内皮的渗透性,最终增强系统给药在特定部位的输送效率。

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Wilbur A.Lam教授(左)、Gang Bao教授(右)。图片来源:Georgia Institute of Technology/Rice University


早期研究表明可以利用磁场给胞内MNPs施加外力控制细胞信号通路。而作者在前期研究中发现外加磁场不仅可以增强血管内皮细胞对MNPs的内吞,还能通过磁力调控F-肌动蛋白的动力学和组装结构,而肌动蛋白组装结构的改变可以扰乱粘着链接并增强血管渗透性。因此作者就猜想,是否可以利用磁场通过内皮细胞内的MNPs给细胞施加内力,改变F肌动蛋白,从而增强血管内皮通透性,促进大分子药物输送?


首先,作者用热分解法合成了直径为16nm和33nm的磁性氧化铁纳米颗粒,并用磷脂-聚乙二醇进行包载形成亲水的MNPs,同时在包载过程中掺入荧光分子DiI和DiR进行标记分别用于体外、体内荧光成像。他们利用NdFeB磁体产生磁场,计算发现每个MNPs在该磁场内受的磁力大小在1fN量级。

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图1.氧化铁纳米颗粒的示意图及表征。图片来源:Nat.Commun.


通过将MNPs与内皮细胞一起培养,并用磁场进行处理,他们发现磁场可以显著增强内皮细胞对MNPs的内吞。磁场作用1h后,内皮细胞内随机分布的F-肌动蛋白纤维沿着磁场方向有序排列。而经计算,这种情况下细胞受力的大小和细胞在血管内皮上受力的大小相当。

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图2.磁力对吞噬MNPs的内皮细胞的影响,改变F-肌动蛋白的排列方式。图片来源:Nat.Commun.


为了模拟体内血管的动态环境,作者制作了一种内皮细胞化的微流体通道。他们将单层的内皮细胞培养在管道的内表面,并使培养基按照生理条件下血液的流速在管道内流动。这种条件下,细胞内的F-肌动蛋白纤维主要富集在细胞-细胞接触面,同时沿着培养基流动的方向排列。

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图3.体外制备内皮细胞化的微流体管道。图片来源:Nat.Commun.


随后,作者研究了流体冲刷状态下磁场对内皮细胞吞噬MNPs的影响及吞噬MNPs后效应的影响。作者发现在步骤1(图4d)的情况下,磁场可以将内皮细胞吞噬的MNPs的量增加2.3倍。而经过步骤1处理之后再按照步骤2(图4e)处理1小时,细胞中的F-肌动蛋白排列被扰乱,沿着流体流动方向的排列减少,同时血管内皮钙粘蛋白排列被扰乱。而在停止磁场作用12小时后,内皮细胞的F-肌动蛋白和血管内皮钙粘蛋白均恢复至处理前的状态,这意味着内皮细胞可以感知剪切力和内部的磁力,并据此动态调节胞内的F-肌动蛋白排列。同时,磁力扰乱内皮细胞钙粘蛋白后可以增强内皮通透性,从而增强大分子蛋白质的穿透性。

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图4.体外磁力对内皮细胞F-肌动蛋白及钙粘蛋白排列的影响。图片来源:Nat.Commun.


随后,为了观察磁力是否可以增强MNPs在小鼠体内血管壁的富集,作者先通过尾静脉给小鼠注射DiR标记的33nm的MNPs,并将磁体放在对侧的静脉处。近红外荧光成像显示磁场可以增加MNPs在尾静脉血管壁的富集,定量分析显示磁场作用下MNPs在尾静脉血管周围的富集量增加了约10倍,同时MNPs主要分布在内皮上,而不是在组织间隙中。这意味着磁场可以达到磁靶向的作用,增强MNPs在小鼠血管壁上的富集。

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图5.磁场促进MNPs在小鼠体内尾静脉周围富集。图片来源:Nat.Commun.


最后,作者用吲哚花青绿(ICG)研究了磁靶向对血管壁通透性的影响。ICG是一种可以与脂蛋白结合形成大分子荧光染料的近红外荧光染料,而结合脂蛋白的ICG只能穿透通透性增强的血管壁,以此模拟大分子蛋白质药物。作者在小鼠尾静脉注射未标记的MNPs后利用磁体处理尾静脉2小时,然后注射ICG,通过近红外活体成像观察ICG的分布,结果显示ICG在小鼠尾部的信号增强了约2倍,而不加磁场则不会影响ICG的分布,这意味着外磁场不仅可以促进MNPs富集在小鼠尾静脉周围,同时还可以通过MNPs给内皮细胞施加外力,导致内皮细胞间连接紊乱,血管壁通透性增强,促进大分子药物穿过血管。

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图6.磁力增强小鼠血管通透性,促进大分子药物透出血管。图片来源:Nat.Commun.


大分子药物(如抗体、核酸类药物)已经在临床广泛使用,但是对于非肿瘤类不影响血管通透性的疾病而言,大分子药物的输送确是难题。本文巧妙地利用磁靶向作用于细胞内MNPs、可逆地调控血管通透性,从而增强大分子药物的定向输送,着实解决了一大难题。同时,磁场对人体无害,不会因组织而衰减,考虑到MNPs已经在被批准用于临床核磁共振成像造影剂、补铁剂等,本研究提出的方法具有很好的临床应用前景。


https://www.nature.com/articles/ncomms15594


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