Collagenase- and LPA₁ antagonist-functionalized lipid nanoparticles enhance mRNA delivery across fibrotic extracellular matrix barriers in a bleomycin-induced pulmonary fibrosis model
本研究表明，结合了胶原酶和 LPA₁ 拮抗剂的双功能化脂质纳米颗粒能够有效克服纤维化肺部的细胞外基质屏障，显著增强 mRNA 向激活的成纤维细胞的递送，并改善博来霉素诱导的肺纤维化模型中的治疗效果。
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肺部是一个精细的气囊网络，旨在进行氧气与二氧化碳的交换，这一过程依赖于薄而有弹性的壁。在一种被称为特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis）的疾病中，这种结构被缓慢破坏，并被厚而僵硬的瘢痕组织所取代。这种瘢伤不仅仅是损伤的标志；它创造了一个由胶原蛋白组成的致密物理屏障，胶原蛋白是一种通常提供结构的坚韧蛋白质，但在这种疾病中变得过度且具有阻碍性。这一屏障阻碍了药物到达最需要的细胞。虽然科学家们已经开发出了基于信使RNA（messenger RNA）的强大新药，这种药物可以指示细胞产生具有疗效的蛋白质，但这些药物难以穿透受损的肺部组织。它们被困在厚重的基质中，无法触及驱动疾病发生的激活细胞。因此，挑战不仅在于如何将药物递送到肺部，还在于如何设计出一种足够聪明、能够应对纤维化肺部特定硬化景观的递送载体。
来自忠北国立大学及其同事的研究人员通过设计一种特殊的递送系统解决了这一障碍，该系统是一个两部分组成的解决方案。他们创建了被称为脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles）的微小球形颗粒，这类颗粒常用于携带遗传物质。然而，他们利用两种不同的生物工具对这些颗粒的表面进行了修饰。第一种工具是一种胶原酶（collagenase），这是一种能自然分解胶原蛋白的酶。第二种工具是一种分子，它作为特定受体的拮抗剂（或阻断剂），该受体存在于成纤维细胞（fibroblasts）的表面，而成纤维细胞正是构建瘢痕组织的细胞。通过将这两个组件附着在同一个纳米颗粒上，团队旨在创造一种既能首先在瘢痕组织中溶解出路径，又能专门针对导致瘢痕形成的细胞的载体。
为了测试这一概念，研究人员首先在实验室中合成了必要的组件。他们通过化学手段将胶原消化酶和受体阻断分子连接到脂质分子上，而脂质是纳米颗粒的构建单元。随后，他们使用精确的混合工艺，将这些脂质组装成装载了某种产生红色荧光蛋白的信使RNA的纳米颗粒，从而让团队能够追踪颗粒的去向。生成的颗粒大小约为病毒级别，性质稳定，并能够携带其遗传货物。至关重要的是，团队验证了附着在表面的酶仍保持活性，保留了约65%的原始胶原分解能力，并且阻断分子仍能与其目标进行相互作用。
随后，团队在旨在模拟纤维化肺部艰难环境的一系列实验中对这些工程化颗粒进行了测试。当他们将颗粒置于致密的胶原凝胶中时，未经修饰的颗粒移动非常缓慢，被紧密的网络所困。相比之下，配备了胶原消化酶的颗粒移动速度显著加快，有效地在凝胶中开辟出了一条路径。这种移动能力直接转化为更好的渗透性；当颗粒被放置在覆盖着活细胞的胶原层之上时，配备了酶的颗粒比标准颗粒更有效地到达了下方的细胞。一旦进入细胞，颗粒便传递其遗传信息，导致细胞产生红色荧光蛋白。配备酶的颗粒传递的信息量大约是未经修饰颗粒的1.7倍。
研究人员还检查了设计的第二个组件：受体阻断剂。他们发现，当颗粒携带这种阻断剂时，它们在向激活的成纤维细胞（即驱动疾病的特定细胞）传递信息方面特别有效。在实验中，当成纤维细胞受到刺激而变得具有侵略性和迁移性时，携带阻克剂的颗粒成功抑制了这种运动。此外，这些颗粒向激活的成纤维细胞传递遗传货物的效率比不带阻断剂的颗粒高出约2.4倍。这表明阻断剂的作用不仅在于阻止细胞，还帮助颗粒进入其中。当这两个工具结合在单个颗粒上时，其效益是累加的，这表明酶清除了路径，而阻断剂则引导颗粒走向目标。
为了观察这些实验室发现能否在活体生物中得到验证，团队使用了一种模拟人类疾病的化学物质诱导大鼠产生肺纤维化。随后，他们使用一种专门的喷雾装置将纳米颗粒施用于大鼠的肺部。该喷雾产生一致的液滴雾气，确保结果的差异是由颗粒本身而非递送方法引起的。在健康的大鼠中，经过修饰和未经修饰的颗粒表现相似，在肺部分布均匀。然而，在患有纤维化肺部的大鼠中，差异非常显著。未经修饰的颗粒难以扩散，主要停留在较大的气道中。而双功能化的颗粒则渗透到了深层的纤维化组织中，到达了疾病破坏最严重的微小气囊处。经过修饰的颗粒传递的遗传信息量是未经修饰颗粒的两倍多，在深层肺泡区域的改善最为显著。
这种改进的递送带来了切实的健康益处。接受双功能化颗粒治疗的大鼠在呼吸机制方面表现出显著改善。它们的潮气量（即每次呼吸吸入的空气量）显著增加，且呼吸模式变得更慢、更深，类似于健康动物的表现。它们的血氧水平也上升了，表明肺部更好地将氧气转移到血液中。这些生理变化伴随着肺组织本身的可见改善。在显微镜下，接受治疗的大鼠肺部保留了大部分正常结构，与未治疗的动物相比，瘢痕和炎症明显减少。肺组织和液体中的胶原蛋白以及其他纤维化标志物水平显著降低，炎症信号水平也降低了。
这项研究表明，治疗纤维化肺部疾病的关键可能在于使递送系统适应疾病的特定障碍。通过结合一种能清除路径的酶和一种能靶向导致瘢痕形成细胞的分子，研究人员创造了一个能够克服纤维化肺部物理和生物障碍的平台。虽然目前的研究使用的是用于追踪递送过程的报告基因而非用于治愈疾病的治疗性药物，但结果证明，这种方法可以成功地将遗传物质传递到正确的位置和正确的剂量。研究结果表明，仅仅优化药物载体的大小或稳定性是不够的；载体必须具备在独特的、硬化的疾病环境中进行导航的能力。这项工作为开发下一代吸入式纤维化肺部疾病疗法提供了实用的框架，超越了标准的递送方法，去应对那些长期限制治疗成功的特定病理障碍。
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