纳米材料在肾移植中的应用研究进展
2022-12-25栗泽鹏丁晨光郑瑾董博清薛武军
栗泽鹏 丁晨光,2,3 郑瑾,3 董博清 薛武军,3
(1 西安交通大学第一附属医院肾脏病医院肾移植科,陕西 西安 710061;2 西安交通大学第一附属医院捐献器官获取与分配科;3 西安交通大学器官移植研究所)
肾移植是目前治疗终末期肾病最有效的方式之一。尽管当前的手术方式、免疫抑制治疗及监测方案的实施可使同种异体移植物1年内的存活率达到约95%,但是长期移植肾存活率并无显著提升。目前认为影响移植肾长期存活率的主要因素包括移植肾延迟恢复(DGF)、急性排斥反应(AR)、慢性排斥反应(CR)和感染等[1]。如何提高移植肾长期存活率是肾脏移植领域中愈来愈重要的课题之一。
相较于传统药物,新型纳米材料具有高负荷、特异靶向性和原位治疗等特点,更有利于移植肾脏功能的精准评估与术后并发症的防治[2]。目前纳米材料在肾移植的很多方面发挥了一定的作用,包括构建合适尺寸的纳米颗粒进行肾小球滤过屏障(GFB)的评估,合成具有抗氧化性能及酶活性的纳米材料以减轻缺血再灌注损伤(IRI),构建高效靶向的纳米材料递送系统以精准化治疗等[3]。本文将对目前纳米材料在肾脏移植相关研究领域的进展及未来可能发挥的作用进行述评。
1 纳米材料在肾脏中的排泄及累积情况
纳米材料的大小是决定其与肾脏相互作用的关键因素。目前研究结果显示,受限于肾小球基底膜(GBM)上2~8 nm的孔径,流体力学直径(HD)小于6 nm的纳米材料可以通过GFB进入膀胱中[4]。该尺寸阈值受到纳米材料整体形状的影响,适用于纳米分子最短的直径。有研究观察到直径为0.8~1.2 nm,长度为100~1 000 nm的碳纳米管可通过尿液有效排泄[5]。此外,由于GBM及足细胞带有负电的特征,纳米材料的电荷属性也会影响纳米材料的滤过[4]。在亚纳米(<1 nm)层面上似乎纳米颗粒的内部元素构成也会影响其在GFB的滤过率,呈现出随着纳米分子中原子数量增加,滤过率逐渐增高的趋势[6]。目前关于纳米材料的粒径对肾脏的积累或者排泄情况的影响还在逐步明确中[1]:<1 nm的纳米材料多会积累于肾小球血管内皮糖萼内,肾脏清除率降低;直径1~5 nm的纳米材料多可以穿过GFB通过尿液排出体外,其肾脏清除效率与纳米材料大小密切相关,但HD 1~2 nm时,直径对其排泄情况的影响不再显著;直径5~7 nm通常可穿过 GFB 并被肾小管内皮细胞内吞,积聚于近端小管;直径<100 nm时一般会穿过内皮层但不能穿过GBM,积聚在肾小球系膜;而直径>100 nm的纳米材料则被管周毛细血管的内皮细胞内吞,然后分泌到肾脏近端小管,从而实现靶向肾小管。
此外,肾脏的病理状态也可能会改变肾小球组织的完整性,影响肾小球的电荷分布和纳米材料的滤过模式。CHEN等[7]评估了急性肾损伤(AKI)动物模型中不同电荷的纳米材料肾脏积累模式,研究显示,通常清除较慢的带负电和中性聚合物可迅速穿过GFB,随后被近端小管细胞重新吸收并停留长达24 h。这些发现提示在肾靶向纳米粒子的设计和制造过程中亦需要考虑AKI对纳米颗粒的肾脏积累/清除模式的影响。
在肾脏移植领域中,肾功能的准确评估、并发症的早期诊断及防治需要不同排泄方式的纳米材料。可以经过肾脏排泄的多种纳米分子,包括有纳米金颗粒(AuNPs)、DNA折纸纳米结构(DONs)、卟啉聚合物以及多金属氧酸盐簇等[8-12],已可用于GFB完整性的评估,其检测容易和计量准确的特点为精准估算肾小球滤过率(eGFR)提供了可能,而且其较高的生物相容性和易于定量的特点也会促进更优肾功能评估方式的开发。目前报道的用于肾脏治疗的纳米颗粒直径多在30~150 nm,常见的纳米材料包括DONs、掺硒碳量子点、黑色素纳米粒子和黑磷纳米片等[13-15],在无病理条件诱导GFB破坏的情况下,可有效地提高全身血液循环时间,并提高在肾脏中的被动蓄积。此外由于纳米材料还具有可编辑性及靶向特异性,从而被设计成药物递送分子,以达到疗效最大化和副作用最小化的目的。
2 纳米材料在肾移植术后并发症早期诊断中应用
2.1 无创移植肾功能评估
肾移植术后为了及时处理并发症,往往需要对肾功能进行敏感且准确的评估,传统方法中使用的肌酐和尿素氮等指标多存在灵敏度较低的问题,因此探索新的无创且准确的肾功能评估方式一直是肾移植研究领域的热点问题之一。
目前AuNPs因其具有X线高密度、易于制备及标记等特点,已被广泛应用于移植肾功能评估中。XU等[16]合成了一种直径为2.5 nm且肾脏可清除的近红外发射谷胱甘肽涂层AuNPs(GS-AuNPs),并使用X线对其排泄过程进行监测,通过小鼠单侧输尿管梗阻模型进行检验,发现其排泄速度较正常肾脏明显减慢。该研究为未来肾移植后DGF早期诊断提供了参考。由于荧光材料在体内的广泛分布,会产生大量混杂信号,因此利用荧光材料和无创成像技术对肾脏排泄过程进行检测的研究一直进展缓慢,但纳米材料的高靶向性可有效避免该问题。研究表明利用近红外荧光发射监测GS-AuNPs在肾脏中的分布情况,可在肌酐、尿素氮水平改变前识别早期肾功能不全,并进行准确的分期[12,17]。另外对64Cu 标记形成的64Cu-NOTA-Au-GSH,PET成像显示其在肾脏中的排泄半衰期短于6 min,提示其对肾功能的评估准确性更高[9]。
此外,针对其他种类纳米材料的研究也在进行中。如通过PET监测放射性标记的多金属氧酸盐簇(POM),可准确地对单侧输尿管梗阻模型肾功能进行分期[10];也有研究报道荧光二氧化硅纳米粒子、碳点、钯纳米片及DONs等在肾脏中分布及其排泄情况,未来也可望用于对肾脏功能的监测[18]。
2.2 移植后排斥反应的无创检测
侵入性活检是评估是否发生肾脏排斥反应的金标准。现有的早期识别肾脏排斥反应的非侵入性检测指标主要包括肌酐、尿素氮及特异性生物标志物,此外纳米材料参与的评估方式也许是可行的。丝氨酸蛋白酶颗粒酶B是由受体T细胞在急性细胞排斥反应发作期间产生的,可以作为早期排斥反应的非侵入性生物标志物。基于此,MAC等[19]设计了一种与丝氨酸蛋白酶颗粒酶B结合的肽底物纳米颗粒,可以对T细胞介导的排斥反应进行早期识别,对皮肤移植后急性排斥模型小鼠全身给药后,发现肽底物纳米颗粒优先积聚在同种异体移植组织中,被颗粒酶B切割后,释放出一种荧光报告分子,并通过肾脏过滤到受体的尿液中。该研究证实在移植组织排斥特征明显之前,尿液分析便能在早期高灵敏度和特异度地判断出排斥反应是否发生。但目前针对肾脏移植排斥反应的相关研究较少。
MRI相较于CT有着更高的软组织分辨率,常被用于异常病理解剖的诊断。HULTMAN等[20]研制出了一种可以用于MRI检测和靶向肾脏输送的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIO)。CHAE等[21]以SPIO标记巨噬细胞,通过MRI检测其分布情况,并在同种异体移植排斥模型中,观察到了SPIO标记巨噬细胞的归巢。AGHIGHI等[8]合成了一种可被巨噬细胞吞噬的超小SPIO,用于监测儿童肾移植患者的免疫状态,发现发生AR的肾脏同种异体移植物在MRI影像中T2值明显延长。但目前相关研究仍较少,还需要大量的研究进行详细阐述。
2.3 肾脏损伤生物标志物的检测
对胱抑素C(CysC)、中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL)和肾损伤分子-1(KIM-1)等新型生物标志物的快速检测,是肾移植术后评估肾脏损伤的关键[22],而利用纳米粒子作为监测传感器可以有效地改进现有的检测手段。LOPES等[23]采用AuNPs以增加传感器表面积体积比来改善电化学信号,使得免疫传感器能够更加灵敏地对CysC进行测量,该传感器可在极少样品量(微升级)下显示出极高的精密度和准确度。YANG等[24]则应用铂纳米颗粒来提高电子转移效率,构建了一个电化学发光系统生物传感器来确定KIM-1的水平。另外有研究用原位还原方法将具有氧化还原活性的普鲁士蓝纳米颗粒沉积在石墨C3N4纳米片上,再以抗NGAL抗体进行修饰后,作为传感器,证实其可快速准确地检测NGAL浓度[25-26]。因此,使用纳米材料可有效提高现有检测方式的灵敏度,及时预知肾移植术后早期并发症的发生,提高患者预后。
3 纳米材料对IRI的治疗作用
IRI是肾移植术后不可避免的病理生理状态之一,是原发性移植肾无功能的最重要机制之一。长期结局方面,其与肾间质纤维化和肾小管萎缩引起的慢性移植物功能障碍有关[27]。传统小分子药物由于机体清除速度快、血液滞留率低和全身剂量要求大等原因致疗效不理想。目前有研究利用肾蓄积纳米材料,通过清除过量的活性氧(ROS)、中和肾毒素或靶向肾前药递送来改善移植后IRI[2]。
DNA纳米技术的发展为构建不同结构、大小的DONs提供了可能,同时DONs结构中的碱基还可以有效清除缺血再灌注所产生的ROS[28]。JIANG等[13]对DONs在肾脏中的分布及清除情况进行了研究,发现其可以在肾脏中停留长达12 h,为肾脏IRI的治疗提供了可能。CHEN等[29]将矩形DONs和抗补体成分C5a配体结合,构建了一种可以序贯预防治疗肾脏IRI的纳米材料(aC5a-rDONs),并发现其可在小鼠肾蒂钳夹动物模型中双相地防治肾脏IRI。aC5a-rDONs可以在缺血再灌注的前8 h内有效清除在Ⅰ期产生的ROS,之后则表现出C5a与aC5a配体竞争性结合以抑制Ⅱ期的炎症反应。这种新的阶段性敏感序贯疗法可针对IRI每一阶段的不同病理生理改变进行针对性处理,体现出更高的疗效和靶向性。此外,值得注意的是,与游离形式的氮氧自由基相比,依赖pH调节的抗氧化剂释放系统具有更高的治疗效果和更低的毒性,可用于精准化治疗。YOSHITOMI等[11]建立了一种pH响应型含氮氧自由基共聚物(RNPpH),用于清除ROS以治疗IRI导致的AKI,该分子可在pH值低于7.0时分解产生氮氧自由基清除ROS。RNPpH的应用可以显著改善肾脏功能并减轻肾脏IRI。MINAMI等[30]还合成了一种含有香草醇的具有抗氧化活性的共聚草酸酯分子(APP-103),并证实APP-103可减轻热缺血(肾蒂钳夹)和长期冷缺血(同基因肾移植)模型中的组织损伤和IRI相关炎症反应。此外,大量的研究证实,传统中药提取物黄连素具有良好的ROS清除作用,囿于其较低的肾脏富集特性,XIE等[31]合成了黄连素纳米颗粒以提高其生物利用度,并证实其可以显著减轻肾脏IRI。
此外,在其他原因所致AKI中,也有较多针对可清除肾脏ROS的纳米材料的研究。如在横纹肌溶解导致的AKI中DONs可有效结合ROS,减轻氧化应激损伤[13]。Mn2+螯合黑色素纳米粒子基于黑色素实现抗氧化作用[32],黑磷纳米片自动分解产生磷氧化物以中和肾脏ROS[33]等研究,均显示可以较好地防治AKI。
除了直接利用可在肾脏中蓄积的纳米材料作为还原剂对ROS进行清除以减轻IRI引起的AKI外,纳米酶的研究也备受关注,其具有成本低、稳定性高、制备简便等优点[34]。一系列具有多酶活性的纳米材料,已被创新地用于治疗由ROS引起的各类疾病[35]。基于二氧化铈纳米粒子的广谱ROS清除能力和多种酶活性,ZHANG等[15]构建了超小二氧化铈纳米酶作为ROS清除剂用于横纹肌溶解诱导的AKI治疗,取得了良好的治疗效果。RuO2纳米颗粒有良好生物相容性和酶样活性,还具有过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶等多种酶活性,可显著减轻小鼠AKI损伤程度[14]。VEMURI等[36]研究表明,以凝血酶为靶点的全氟化碳纳米颗粒(PFC-NP)可减轻肾脏动脉闭塞后IRI,并证实用PFC-NP灌注同种异体肾移植物可减轻移植物损伤,保护移植物功能。
4 纳米材料参与组成的药物递送系统在肾移植术后免疫抑制中的应用
免疫抑制剂的使用降低了急性移植物排斥的总体发生率,但同时也会引起感染、心血管疾病、糖尿病和恶性肿瘤等并发症。纳米材料的理化性质可以极大地改变免疫抑制剂药物代谢动力学,延长药物的血液循环时间,降低其在非靶器官的生物分布,从而达到将药物靶向递送至特定器官、组织或细胞的目的。大量研究发现,纳米颗粒具有肾小球沉积的固有倾向,可将药物特异性输送到肾脏[6]。
糖皮质激素对肾脏移植后的免疫抑制作用不可或缺,但其大量不良反应限制了其使用。Fc受体是一种细胞表面糖蛋白,为主要的IgG Fc受体,能够促进IgG易位。此外,Fc受体还是一种白蛋白的天然受体。WU等[37]研究合成了一种牛血清白蛋白-甲强龙纳米材料(BSA-MP),在pH 7.4时,该分子稳定,没有MP分子释放,但是在pH 4.0时,大多数MP分子被释放。动物实验显示出其可以富集于肾脏中,为肾脏靶向性的糖皮质激素输送提供了可能。JIA等[38]设计合成了一种基于聚乙二醇的地塞米松短链大分子前药(ZSJ-0228),可以在肾脏中有效发挥作用,并降低其不良反应发生率。此外基于与抗E-选择素抗体结合的脂质体(AbEsel脂质体)进行糖皮质激素的输送也被证明是有效的。对脂质体包装的泼尼松龙和常规泼尼松龙在急性肾移植排斥小鼠模型中的作用进行比较[39],结果显示与常规泼尼松龙相比,脂质体泼尼松龙的肾脏生物利用度明显增加,巨噬细胞和淋巴细胞的数量减少,减少了同种异体移植物中的细胞浸润,Banff 评分显示间质炎症和肾小管炎减轻,fMRI分析显示同种异体移植物灌注得到改善,对T细胞介导的排斥反应治疗效果较好。
此外,提高新型免疫抑制剂(如他克莫司、霉酚酸酯、雷帕霉素等)的靶向性研究也在持续进行中。目前他克莫司相关纳米分子在心脏移植、角膜移植及类风湿关节炎治疗中效果较好[40],但针对肾移植相关研究缺如。UEHARA等[41]开发一种直接递送和缓释霉酚酸酯的系统,在移植前用载有霉酚酸酯纳米颗粒灌注供体小鼠心脏,通过抑制移植物内促炎细胞因子和趋化因子的产生来抑制慢性同种异体移植排斥反应。研究表明,使用纳米载体携带免疫抑制剂进行给药,靶向抑制同种异体移植排斥反应的方法在临床中是可行的。SUANA等[42]设计出了一种含有霉酚酸酯的靶向大鼠系膜细胞中的Thy1.1抗原 (OX-7)的免疫脂质体,研究证实效果优于传统给药方式。此外使用靶向于足细胞的脂质体包裹雷帕霉素进行给药也已被证明是可行的。
5 未来发展的前景及局限性
综上所述,目前在肾脏移植及其相关领域纳米材料的应用研究中,主要涉及到肾功能的评估、排斥反应的早期诊断、IRI的治疗及对于免疫抑制剂给药方式的改良。以往研究认为纳米材料的肾脏清除是临床转化的主要障碍,但是目前的研究表明,通过改变纳米材料的尺寸、形状、表面电荷和组成即能有效控制纳米材料与肾脏的相互作用[2]。新兴的“纳米结构-效应关系”理论已经促成了许多纳米材料的临床应用。目前已有大量的纳米材料进入临床试验阶段,大部分已获批用于癌症的诊断和治疗,其积累的临床转化经验为开发用于肾脏功能评估和治疗的新型纳米材料提供了有效参考。
纳米材料在肾脏移植领域中的应用仍存在着大量需要解决的问题。一方面,大多数研究仅关注了纳米材料在肾脏排泄的过程,而忽略了其在肝脏的排泄。随着血液循环,大量纳米材料由网状内皮系统吞噬进入肝脏代谢。另一方面,大量研究表明中等大小纳米材料可有效地靶向肾小管上皮细胞[43],这也提示目前研究还仅停留在GFB层面上,而对管周毛细血管内皮细胞内吞作用、转运蛋白介导的肾脏积累等的研究亦是很有必要的。
此外,肾脏移植术后肾功能评估及排斥反应的早期诊断一直以来都是研究和关注的热点,而对于肾移植术后并发症的早期诊断研究较少,多是局限于对巨噬细胞归巢的观察。应用纳米分子替代肌酐、尿素氮进行eGFR计算及肾功能评估相关研究也较多,但均处于动物实验阶段,如何将其进行临床转化将会是未来的研究方向之一。
目前针对肾移植术后IRI的小分子保护剂水溶性较差,或存在生物不稳定性问题,利用纳米材料进行设计给药可有效解决此类问题。大量研究表明纳米材料的理化性质决定了药物药代动力学特性,因此将小分子肾脏保护剂设计为纳米材料,可有效增加其水溶性,从而提高其生物利用度。此外将已有肾脏保护剂设计为依赖pH调节的抗氧化剂释放系统,可使其在血液循环和肾脏组织中持续释放小分子药物,从而实现长效且靶向作用,减轻肾脏IRI。
通过纳米材料改良免疫抑制剂给药方式,也是未来发展方向之一。通过肾脏的靶向给药,可以抑制肾移植术后早期免疫识别,并诱导后期的免疫耐受,改善肾脏移植术后的免疫状态,提高肾脏长期生存率,同时由于降低了其在非靶器官的剂量,也减少了并发症的发生。但目前相关研究仍然较少。
随着精准医疗理念的不断深入,在肾移植患者的管理过程中,快速准确地对肾功能评估、并发症的及时诊治及低不良反应的免疫抑制方案选择一直以来都是众多研究者关心的问题。纳米材料因其具有可编辑、高靶向等特性,成为了移植领域相关研究的热点[4]。肾移植术后IRI的研究一直以来囿于小分子药物富集性差、发挥作用时间短的问题,而可富集于肾脏的纳米材料则可有效解决以上问题。纳米材料因其高靶向性的特点,为肾移植术后精准、高效、低毒的免疫抑制方案的制定提供了可能性。
利益冲突声明:所有作者声明不存在利益冲突。
ConflictsofInterest: All authors disclose no relevant conflicts of interest.
作者贡献:栗泽鹏、丁晨光、董博清参与了实验设计;栗泽鹏、丁晨光、郑瑾、薛武军参与了论文的写作和修改。所有作者均阅读并同意发表该论文。
Contributions: The study was designed byLIZepeng,DINGChenguang, andDONGBoqing. The manuscript was drafted and revised byLIZepeng,DINGChenguang,ZHENGJin, andXUEWujun. All the authors have read the last version of the paper and consented submission.