基于中性粒细胞的多功能纳米载体研究进展及应用

赵雨萱，张高瑞，于德新

（1.山东大学齐鲁医院放射科，山东 济南 250012；2.潍坊医学院医学影像学院，山东 潍坊 261000）

炎症反应是机体应对感染和组织损伤的适应性反应，以免疫细胞的募集、血管反应和分子介质的释放为特征。炎症反应的目的是当机体受到有害刺激时，能够迅速激活免疫系统以消除病原体，清除坏死细胞和受损组织，并启动组织修复过程［1］。若炎症刺激长期存在或炎症调控机制失控，将导致一系列相关疾病的发生，如类风湿关节炎、动脉粥样硬化及癌症等［2-4］。因此，针对这些炎症反应进行靶向诊断和治疗为这些疾病提供了新的希望。

随着纳米医疗的不断发展，基于细胞的疗法逐渐引起了研究人员的关注，其可模仿参与炎症反应的免疫系统的自然机制，克服传统纳米颗粒生物相容性低、循环时间短和免疫原性差的局限性，为炎症靶向提供了一个新的平台［5］。中性粒细胞作为在感染和癌症发展过程中募集到炎症部位的第一类白细胞，占人体循环系统的50%～70%，并在肿瘤微环境内大量存在［6］。因此，基于中性粒细胞的纳米载体在炎性疾病和癌症诊疗上有广阔的应用前景。

1 中性粒细胞在炎性疾病和癌症发病机制中的作用

1.1 炎性疾病 在炎症发生过程中，血管内皮细胞首先被激活，开始合成选择素（selectin，SEL）。SEL可以“抓住”血液中快速流动的中性粒细胞，使其沿着血管内表面慢速滚动并探测补体片段C5a 和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等炎症信号，进而快速表达整合素（integrin，INT）。INT 与内皮细胞表面表达的细胞间黏附因子（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）相互作用，导致中性粒细胞停止滚动，追寻趋化因子的信号穿过血管内皮并迁移到炎症部位［7］。中性粒细胞通过血管内皮进入炎症组织的过程是先天免疫系统对抗感染和败血症、创伤、缺血再灌注等急慢性炎性疾病的重要防御机制［8］。因此，靶向中性粒细胞浸润的途径可能是改善炎症相关疾病治疗现状的一种有效手段。

1.2 癌症 在肿瘤进展过程中，肿瘤细胞分泌肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）及白介素（interleukin，IL）-6、8 等细胞因子和趋化因子，机体通过募集大量炎症细胞诱导肿瘤炎症性微环境（tumor microenvironment，TME）的形成，这些炎症细胞包括中性粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、髓样抑制细胞、树突状细胞和自然杀伤细胞［9］。其中中性粒细胞可分化为2 个亚型，具有抗肿瘤功能的N1 型中性粒细胞和具有促肿瘤功能的N2 型中性粒细胞，这些炎症细胞均对循环系统中中性粒细胞的持续募集产生积极影响［10］。因此，基于中性粒细胞的纳米载体为炎症和癌症中的诊断和药物输送提供了巨大机会。

2 基于中性粒细胞的纳米载体

2.1 构建方法

2.1.1 材料-细胞体外整合法 该方法将纳米材料-药物复合物与嗜中性粒细胞在体外共同孵育，利用中性粒细胞的吞噬作用，将纳米复合物吞噬到细胞中，形成纳米-中性粒细胞复合物，后注入哺乳动物体内。Xue 等［11］从小鼠骨髓中分离纯化的成熟中性粒细胞，内吞紫杉醇阳离子脂质体（PTX-CL）后从血管迁移至肿瘤和炎症部位。该方法制造简便且具有生物相容性，能够延长纳米颗粒在体内的循环时间，十分有效。

2.1.2 受体-配体相互作用法 该方法利用中性粒细胞在炎症过程中高表达的受体，如免疫球蛋白Fc部分的受体（FcγRⅢ），设计对该受体具有高亲和力的纳米颗粒，使其进入体内后通过受体-配体相互作用结合活化的中性粒细胞。Chu 等［12］将制备得到的白蛋白NPs 与急性炎症过程中中性粒细胞上高表达的FcγRⅢ受体特异性结合，并证明该纳米载体能跨血管屏障进行药物递送。该方法合成的纳米颗粒可直接结合血液中的白细胞，但缺点是注入人体的纳米材料会被迅速识别为异物并被单核吞噬细胞系统清除［13］。

2.1.3 膜衍生的细胞外囊泡或膜包裹纳米颗粒法该方法从中性粒细胞中分离并纯化细胞膜或细胞外囊泡，然后将其涂覆到纳米材料表面。常用的分离方法有密度梯度离心法和氮气空化法。Kang 等［14］通过Percoll 梯度离心法分离中性粒细胞，再经一系列离心、超声等处理制得中性粒细胞膜包裹的载卡非佐米（Carfilzomib，Cfz）的纳米颗粒（NM-NP-CFZ），并证明该纳米制剂能选择性地消耗血液中的四氯化碳，防止肿瘤早期转移。Gao 等［15］利用氮气空化在腔室内产生机械力破坏细胞膜，破裂的膜自发形成纳米级别囊泡，随后将抗感染药白皮杉醇装载到纳米囊泡中，可显著减轻脂多糖诱导的急性肺部炎症和败血症。该方法制得的仿生纳米材料既保留了纳米材料的理化性质，又利用膜涂层增强了纳米材料的稳定性和靶向性。

2.2 影响因素

2.2.1 纳米材料的理化特性 ①纳米复合材料的大小和形状：迄今为止，关于纳米材料的大小、形状、表面化学性质对中性粒细胞摄取的影响尚未取得共识。但部分证据表明，中性粒细胞对纳米颗粒的内化具有尺寸依赖性。Bisso 等［16］证明中性粒细胞对直径小于100 nm 的纳米颗粒的吸收比对直径为200 nm 的颗粒吸收更多；Kelley 等［17］发现，中性粒细胞装载直径为130 nm 的牛血清白蛋白纳米颗粒可在静脉注射后30 min 内显像，证明该大小的纳米颗粒可被中性粒细胞快速吸收；Naumenko 等［18］证明中性粒细胞介导的途径对立方体形纳米颗粒的影响要比对簇形纳米颗粒的影响大。②纳米复合材料的表面化学性质：研究［17］表明，在存在人类血浆的情况下，表面聚乙二醇化的纳米颗粒会被中性粒细胞优先吸收。Irvine 等［19］证明，带正电荷的纳米材料更易被细胞吸收，但带正电荷的纳米颗粒具有潜在的细胞毒性；Gasparri 等［20］证明，将IL-12 抗体与标记有isoDGR金纳米颗粒结合，可显著增加中性粒细胞向肿瘤部位的浸润。因此，在构建基于中性粒细胞的纳米载体时，表面带正电荷、表面涂层或靶向抗体修饰的纳米复合物可能更易被细胞吸收。

2.2.2 药物及纳米材料的细胞毒性及控制释放 已有研究证明，中性粒细胞可将载有无毒药物（如抗感染药）的纳米颗粒输送至患病部位。Chu 等［12］使用中性粒细胞递送负载抗生素头孢哌酮酸（Cefo-A）的白蛋白，治疗LPS 诱导的急性肺部炎症及铜绿假单胞菌所致肺部的感染。但紫杉醇和阿霉素等抗癌药物会损害中性粒细胞的功能，即使这些抗癌药在纳米颗粒中受到保护，也很难控制药物在细胞内的意外释放［21］。此外，智能响应型纳米材料作为药物载体已受到广泛关注，将对pH 值、氧化还原电位、酶促反应、超声、磁场敏感的纳米材料与基于中性粒细胞的纳米体系相结合，将会在分子成像和药物控释上产生新的应用［22］。

3 基于中性粒细胞的纳米载体在不同疾病成像或治疗中的应用

3.1 炎性疾病的成像或治疗 有学者研究了基于中性粒细胞的纳米载体在疾病中的应用。在肺部炎症中，Wang 等［23］使用Cy5-荧光分子标记的白蛋白纳米颗粒，在活体显微镜下观察到纳米颗粒与活化的中性粒细胞相互作用，并成功将药物递送到黏附于发炎血管内皮上的中性粒细胞上；在急性胰腺炎中，Zhou 等［24］利用从中药雷公藤中提取的NF-κB 抑制剂五环三萜，设计了中性粒细胞膜负载五环三萜的乙二醇甲基醚-嵌段-聚乳酸乙醇酸（PEG-PLGA）纳米颗粒（NPs/CLT），应用荧光成像证明该纳米颗粒可克服血胰屏障且主要聚集在胰腺中，在急性胰腺炎的大鼠模型中显著下调了血清淀粉酶和胰腺髓过氧化物酶水平；在类风湿关节炎中，Zhang 等［25］制备中性粒细胞膜包裹的纳米颗粒（中性粒细胞-NP），证明该纳米颗粒可中和促炎型细胞因子、靶向软骨基质深处，并对关节损伤提供强有力的软骨保护。这些结果证明基于中性粒细胞的多功能纳米载体为炎性疾病的靶向诊断和治疗提供了新的方案。

3.2 癌症的成像或治疗 在肿瘤方面，Wu 等［26］利用MRI 观察中性粒细胞吸收载阿霉素的磁性介孔二氧化硅纳米颗粒（ND-MMSNs），并追踪中性粒细胞在神经胶质瘤中的迁移和生物效应；证明了被中性粒细胞吞噬的纳米颗粒具有较好的药物装载效果，不会影响中性粒细胞的生存能力，且能显著提高肿瘤内药物浓度，延迟术后神经胶质瘤的复发。在肺癌中，Qiu 等［27］利用肿瘤进展过程中会募集免疫细胞形成炎症性微环境这一特性，将成像剂钆（Gd）和荧光染料氟化硼二吡咯（BODIPY）装载到用5，5'-二硫代双-（2-硝基苯甲酸）（DTNB）激活的牛血清白蛋白（BSA）纳米颗粒中，并使用荧光检测和MRI 证明了该活细胞探针具有更强的肿瘤靶向性和聚集性。在胰腺癌中，Cao 等［28］制备了中性粒细胞膜包裹PEG-PLGA 纳米粒子，并探索了中性粒细胞膜包裹的NNPs/CLT 在体内和体外治疗胰腺癌的效果。结果证明小鼠胰腺导管腺癌细胞（PANC02）、LPS 刺激的小鼠单核巨噬细胞白血病细胞（RAW264.7）和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）细胞对该纳米颗粒（NNPs/CLT）的摄取显著增加且抑制肿瘤生长的效果十分显著。由于肿瘤的发生过程总是伴随炎症，受到负载纳米颗粒的中性粒细胞能够跨血管内皮迁移至炎症部位的启发［29］，通过中性粒细胞将携带对比剂及药物的纳米颗粒递送至肿瘤部位是改善当前癌症诊疗的新方法。

4 结论与展望

大多数疾病的发病机制与先天性及适应性免疫反应密不可分，中性粒细胞在其中扮演着重要角色。与传统纳米诊疗相比，中性粒细胞介导的纳米诊疗系统显著增加了疾病部位的纳米颗粒浓聚，可改善炎性疾病和癌症当前的纳米疗法。但其仍存在一些问题需要解决，如需设计具有合适大小、形状、表面化学性质的纳米载体，寻找适合中性粒细胞纳米诊疗系统携带的药物，以及如何控制纳米颗粒在疾病部位的释放等［30］。此外，纳米颗粒和中性粒细胞易被标记，或是与荧光染料、放射性试剂结合，因此，可使用成像系统在体内监测中性粒细胞-纳米颗粒复合物，同时由于可靶向疾病部位，中性粒细胞-纳米颗粒复合物可用于炎症或肿瘤诊断。目前，分子成像已用于各种疾病的诊断和治疗监控，包括分子成像探针和药物的多功能纳米材料可实现中性粒细胞纳米治疗过程的可视化［31］。

综上所述，尽管存在许多挑战和困难，基于中性粒细胞的纳米诊疗系统依然具有广阔的应用前景，为疾病的诊疗一体化提供了新的方向。