Actuation-dependent plume geometry in nasal spray delivery of lipid nanoparticles influences nasal deposition site and particle integrity
本研究表明，优化鼻喷装置的机械驱动参数与脂质纳米颗粒悬浮液的配方，对于同时实现用于鼻-脑递送 mRNA 的靶向高效鼻腔沉积并保持颗粒完整性至关重要。
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将药物送入大脑是现代医学中最困难的挑战之一。大脑受到一道被称为血脑屏障的强大屏障保护，这套安全系统会阻挡几乎所有的大分子和大多数药物进入。这种防御机制保护大脑免受毒素侵害，但也阻碍了治疗阿尔茨海默病或帕金森病等疾病的救命疗法到达目标位置。科学家们长期以来一直将鼻子视为一个潜在的“后门”。因为鼻腔拥有直接通往大脑的神经通路，通过鼻腔喷洒药物可以让药物完全绕过血脑屏障。然而，鼻子是一个复杂且蜿蜒的通道。如果喷雾太粗糙或击中了错误的位置，药物就会滞留在鼻前部，并在到达大脑之前被身体的自然清洁机制冲走。
为了使这种“鼻到脑”的递送方式奏效，研究人员正转向使用信使核糖核酸（mRNA），即用于疫苗中的同种技术，但将其封装在被称为脂质纳米颗粒的微小保护泡中。这些“泡泡”非常脆弱。它们必须保持完整并确保其携带的货物在到达大脑前保持密封。问题在于，喷洒的过程本身——即通过微小的喷嘴高速挤压液体——可能会撕裂这些泡泡或导致其内容物泄漏。来自韩国忠北大学的研究人员进行的一项新研究调查了如何平衡这些相互竞争的需求。他们想知道是否可以调整喷雾机制，使其在不破坏药物的前提下击中鼻腔的正确位置，以及在液体中添加特定成分是否能帮助脆弱的颗粒在旅途中得到保护。
该团队使用了一种机械式鼻喷泵（一种依靠弹簧推动液体排出的装置），并在多种条件下进行了测试。他们改变了按压弹簧的力量，使用的力量分别为 4.8、8.0 和 11.2 牛顿，并改变了按压速度，范围从每秒 80 到 180 毫米不等。他们利用慢动作摄影记录了喷雾过程，观察喷雾的形状，测量了液滴的大小，然后将液体喷洒在一个透明的人类鼻子三维模型中，以精确观察液滴落点。他们还检查了 mRNA 纳米颗粒在喷洒前后的健康状况，以观察该过程是否对其造成了损伤。
结果揭示了一种微妙的权衡。当研究人员加大弹簧压力时，喷雾会产生更小、更细的液滴，并带有更强的冲击力。这些强力的细微液滴能更好地到达鼻腔的上部区域，即最靠近大脑的顶鼻甲区域。然而，这种强力的喷射也会损坏纳米颗粒。尽管颗粒在喷洒后的外观尺寸大致相同，但包裹在其中的 mRNA 量却显著下降。在压力最大的测试中，颗粒保持其载荷的效率从 86% 以上降至 55% 以下。这意味着，仅仅为了让药物进入鼻腔深处而提高动力，实际上会破坏大部分剂量。
相反，当研究人员按压速度较快但力度较小时，喷雾会向四周扩散。这种较宽的雾状物倾向于击中鼻子的中部而非顶部，从而错过了大脑递送的目标区域。研究表明，按压的速度和力量控制着喷雾的不同部分：速度决定了雾气的扩散宽度，而力量则决定了液滴的大小。仅靠其中一种设置都无法解决问题：增加力量有助于精准定位，但会伤害药物；而改变速度只能改变喷雾的落点，却无法解决损坏问题。
为了解决损坏问题，研究人员测试了在液体中添加不同的稳定成分，类似于厨师在酱汁中加入鸡蛋以防止其分离。他们尝试了三种物质：透明质酸、纤维素衍生物和聚乙烯醇。这三种物质都有助于防止纳米颗粒聚集成大块且无用的团块。其中，聚乙烯醇表现尤为突出。当添加浓度为 0.5% 的聚乙烯醇时，它能保护纳米颗粒免受喷洒压力的影响，从而保留其携带 mRNA 的能力。有趣的是，添加这种成分并不会改变喷雾的形状，但它使液滴变大了。这些稍大的液滴在鼻腔中部落下的重量感更强，这表明液体本身可以影响药物的去向，且独立于喷雾装置之外。
研究结论认为，你不能将喷雾装置和药物分开设计。泵的工作方式与液体中的成分之间存在一种相互影响的关系。为了成功将 mRNA 递送到大脑，工程师必须既要调整喷雾机制以瞄准鼻腔上部，同时又要设计出能在剧烈的喷洒过程中存活下来的液体。研究人员发现，虽然可以通过调节装置来击中正确的目标，但最终保护脆弱载荷的还是配方——即特定成分的混合物。这种将机器与药物共同开发的整合方法，为将鼻喷剂转化为治疗大脑疾病的切实可行方案提供了路径。
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