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北化王興教授團(tuán)隊《Adv. Mater.》:具有級聯(lián)靶向功能的聚氨基酸基納米粒子通過原位遞送抗菌劑高效清除胞內(nèi)菌
2022-02-17  來源:高分子科技

  細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌感染與許多嚴(yán)重感染疾病相關(guān),如肺結(jié)核、心內(nèi)膜炎、骨髓炎、壞死性肺炎和敗血癥等。臨床治療難以根除胞內(nèi)菌,主要原因包括:(i)抗生素的細(xì)胞膜穿透性差,胞內(nèi)積累少,保留時間短;(ii)溶酶體內(nèi)苛刻的酸性和水解環(huán)境降低了抗生素的抗菌活性;(iii)休眠狀態(tài)的胞內(nèi)菌對致命濃度的抗生素具有耐受性;(iv)細(xì)菌從溶酶體中逃脫并隱藏在細(xì)胞質(zhì)內(nèi),逃避抗生素的清除作用。為了對抗這些頑固的細(xì)菌,通過精準(zhǔn)靶向胞內(nèi)菌,將抗生素遞送到細(xì)菌駐留部位是一種可行的方法,但相關(guān)研究仍鮮有報道。


  為此,北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王興教授課題組巧妙地設(shè)計了一種新型的具有級聯(lián)靶向功能的藥物遞送系統(tǒng)(FAM DDS),DDS通過級聯(lián)靶向巨噬細(xì)胞和胞內(nèi)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA),實現(xiàn)抗生素利福平(Rif)的原位精準(zhǔn)遞送,克服了頑固胞內(nèi)菌休眠狀態(tài)及隱匿位置削弱抗生素性能的瓶頸問題。與此同時,Rif@FAM能夠上調(diào)巨噬細(xì)胞M1/M2極化,增強(qiáng)巨噬細(xì)胞免疫清除作用,協(xié)同Rif實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)MRSA的高效清除(圖1)。

圖1:Rif@FAM級聯(lián)靶向清除巨噬胞內(nèi)MRSA


文章要點:


  (1)Rif@FAM DDS的設(shè)計合成。課題組首次以β-N-丙烯酰基-D-氨基丙氨酸作為主要功能單體,通過光誘導(dǎo)聚合技術(shù)合成了特異性靶向細(xì)菌的聚合物FA,并利用動態(tài)席夫堿鍵接枝甘露糖獲得具有靶向巨噬細(xì)胞能力的聚合物FAM,進(jìn)而自組裝包載Rif,構(gòu)建了具有級聯(lián)靶向胞內(nèi)菌功能的Rif@FAM DDS(圖2)。該策略為DDS提供了高密度的胞內(nèi)菌靶向基團(tuán),有利于降低脫靶率;而且,氨基酸聚合物豐富的非共價相互作用力,提高了DDS的藥物裝載效率(18.9 wt%)和酸穩(wěn)定性,實現(xiàn)了持續(xù)1個月的長效藥物釋放性能。


圖2:Rif@FAM DDS的合成和表征


  (2)級聯(lián)靶向機(jī)制。研究表明,Rif@FAM首先通過甘露糖受體介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)吞,選擇性地進(jìn)入巨噬細(xì)胞,增加了Rif在胞內(nèi)的富集;隨后,在溶酶體酸性環(huán)境下斷開席夫堿鍵,觸發(fā)甘露糖脫離形成Rif@FA;Rif@FA表面暴露的D-氨基丙氨酸促發(fā)粒子從溶酶體內(nèi)逃逸,并特異性結(jié)合到胞內(nèi)MRSA的細(xì)菌壁上,從而實現(xiàn)了級聯(lián)靶向作用。作者通過原位/非原位共定位手段論證了FAM DDS對胞內(nèi)MRSA的特異性靶向作用(圖3)。三維共聚焦成像顯示,F(xiàn)AM DDS胞內(nèi)MRSA熒光高度重合。流式細(xì)胞儀定量分析顯示,細(xì)胞裂解后收集得到的胞內(nèi)MRSA與FAM重合度高達(dá)71.6%,比空白組高約3倍,表明高密度D-氨基丙氨酸增強(qiáng)了FAM DDS和細(xì)菌的結(jié)合能力,有效避免了脫靶效應(yīng)。原位TEM成像進(jìn)一步證明,F(xiàn)AM DDS結(jié)合在胞內(nèi)MRSA細(xì)胞壁上與對照組中胞內(nèi)MRSA光滑的細(xì)胞壁形成了鮮明對比。


圖3:FAM DDS靶向細(xì)內(nèi)菌


  (3)體內(nèi)抗菌活性。受試小鼠經(jīng)尾靜脈注射FAM DDS后,F(xiàn)AM DDS可在24 h內(nèi)聚集在MRSA感染部位,進(jìn)一步證明了FAM DDS在動物水平可實現(xiàn)藥物的原位遞送(圖4)。進(jìn)而,作者以單一功能的細(xì)胞靶向DDS(Rif@FM)和細(xì)菌靶向DDS(Rif@FA)為對照,研究了Rif@FAM對小鼠急性腹膜炎的治療效果。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,Rif@FAM實驗組的胞內(nèi)MRSA數(shù)量 (1.36 log10CFU) 顯著低于對照組 Rif@FA (2.18 log10CFU; **, p = 0.004) 和 Rif@FM (3.24 log10CFU; ***,p = 0.0004)。結(jié)果表明,相比于單一細(xì)胞靶向和細(xì)菌靶向的DDS,F(xiàn)AM DDS的級聯(lián)靶向與原位藥物遞送特性能夠顯著提升抗生素的治療效果。


圖4:FAM DDS的體內(nèi)靶向和抗菌性能評價


  綜上所述,Rif@FAM通過級聯(lián)靶向和原位藥物遞送,實現(xiàn)了胞內(nèi)菌的高效清除。它的主要優(yōu)勢有:(i)實現(xiàn)了Rif較高的胞內(nèi)積累和長時間胞內(nèi)保留;(ii)強(qiáng)酸下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有長效的抗菌活性;(iii)原位精確釋放Rif,克服胞內(nèi)菌休眠狀態(tài)及隱匿位置削弱抗生素性能的瓶頸問題;(iv)重塑巨噬細(xì)胞的免疫反應(yīng),增強(qiáng)了抗菌性能。研究工作論證了級聯(lián)靶向和原位遞送策略對殺滅胞內(nèi)菌的作用和意義,為相關(guān)疾病的治療提供了新方法和新技術(shù)。


  相關(guān)研究成果近期以Cascade-targeting Poly(amino acid) Nanoparticles Eliminate Intracellular Bacteria via on-site Antibiotic Delivery”為標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials雜志上 (IF = 30.849)。本論文第一作者為北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生馮文麗。北京化工大學(xué)王興教授、李國鋒副教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家創(chuàng)新藥物重大專項、中央高;A(chǔ)研究基金和北京市自然科學(xué)基金的資助與支持。


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202109789

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