加州大學圣地亞哥分校 張良方 Adv. Mater.: 用于體內氧氣遞送的仿生納米乳液

【引言】

自二十世紀初開發出血液分型和儲存方法以來，輸血已成為現代醫學的重要組成部分。對于遭受急性創傷或進行外科手術的患者，輸血是挽救生命的重要措施。必要的輸血可以幫助患者維持體內氧氣水平，主要由于血液制品中的紅細胞（RBC）能夠及時補給體內氧氣遞送能力。然而目前，血庫中的紅細胞制品，特別是來自稀有供體類型的紅細胞，是在標準儲存條件下具有有限保質期的寶貴資源，由于供應短缺而不得不延緩后續治療從而導致病情延誤的情況時常發生。雖然提高血液利用率和改善供應鏈管理可以幫助減少相關短缺，但是僅靠這些方法并不能從源頭完全解決紅細胞短缺問題。全球對于紅細胞制品的持續性大量需求預計將對可用醫療資源和基礎醫療設施造成重大壓力。不幸的是，目前在開發輸血用人紅細胞的可行替代品上的努力不是很順利。

【成果簡介】

近日，加州大學圣地亞哥分校的張良方教授（通訊作者）等報道了一種仿生納米氧氣遞送技術，它結合了天然紅細胞膜的良好生物相容性和全氟碳化合物內核的高攜氧能力。所得制劑可以長期儲存并表現出極高的氧氣遞送能力，可以顯著減輕缺氧帶來的負面影響。在失血性休克的動物模型中，該納米乳液制劑具有與小鼠全血相當的氧氣遞送能力。同時，相較于未包覆的全氟碳乳液，該制劑具有更低的免疫原性與更為優異的生物相容性。通過合理利用其各組分的有利特性，該仿生氧氣遞送系統具有解決臨床中關鍵問題訴求的潛力。研究成果以題為“Biomimetic Nanoemulsions for Oxygen Delivery In Vivo”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、RBC-PFC的制備
（a） RBC-PFC輸送氧氣和向缺氧組織釋放氧氣的示意圖；

（b） 在各種PFC與RBC核膜比率下RBC-PFC的粒徑；

（c） 各種乳化時間條件下RBC-PFC的粒徑；

（d） RBC囊泡，與RBC囊泡混合的PFC乳液，以及RBC-PFC在600×g離心后圖像；RBC膜用DiD（藍色）標記；

（e） 雙標記RBC-PFC的共聚焦熒光成像；PFC核用BODIPY（綠色）標記，RBC膜用DiD（紅色）標記。

圖二、RBC-PFC的表征
（a） RBC囊泡、PFC乳液和RBC-PFC的粒徑；

（b） RBC囊泡、PFC乳液和RBC-PFC的Zeta電位；

（c） ¹⁹F NMR定量1-溴全氟辛烷（左）的包覆率，全氟-1，5-冠-5-醚（右）被用作內標；相應氟原子被著色為藍色；

（d） PFC乳液和RBC-PFC在96 d內的穩定性評價；

（e） 將含氧水、RBC囊泡、PFC乳液、RBC-PFC、或天然RBC添加到脫氧水后的溶解氧動力學測定；

（f） 未過期RBC制得的RBC-PFC，過期RBC制得的RBC-PFC，以及在室溫（RT）或4?^oC下儲存1周后的RBC-PFC的溶解氧動力學測定。

圖三、RBC-PFC的體外氧氣遞送
（a） 與不同濃度的RBC-PFC孵育24 h后Neuro2a細胞的存活率；

（b） 與PFC乳液或RBC-PFC孵育24 h后J774巨噬細胞產生的炎癥因子IL-1 α的水平；

（c） 不同時間長度缺氧誘導后加入不同濃度的RBC-PFC并孵育24 h后Neuro2a細胞的存活率；

（d） Western blot檢測Neuro2a細胞中缺氧因子HIF-1?的表達，分別為未加入RBC-PFC缺氧狀態、18 h缺氧誘導后加入RBC-PFC、以及常氧狀態；

（e, g）未加入RBC-PFC缺氧狀態、0 h（e）或18 h（g）缺氧誘導后加入RBC-PFC、以及常氧狀態下Neuro2a細胞的亮場顯微鏡檢查;

（f, h）未加入RBC-PFC缺氧狀態、0 h（f）或18 h（h）缺氧誘導后加入RBC-PFC、以及常氧狀態下Neuro2a細胞的熒光顯微鏡檢查；細胞用Image-iT Green缺氧試劑（綠色）標記

圖四、RBC-PFC體內氧氣遞送及生物安全性
（a） 出血性休克模型下小鼠的平均動脈壓（MAP）曲線，輸入制劑分別為林格氏乳酸鹽（RL）、RBC囊泡、PFC乳液、RBC-PFC、小鼠全血；

（b） 每組MAP最終穩定值；

（c） DiD標記的RBC-PFC在給藥后不同時間在主要器官（包括肝，脾、心、肺、腎、血液）中的生物分布；

（d） 靜脈內施用等滲蔗糖、PFC乳液或RBC-PFC后，隨時間推移的炎癥因子IL-1 α水平；

（e） 靜脈注射等滲蔗糖或RBC-PFC24 h后全血綜合代謝檢查；

（f） 靜脈注射等滲蔗糖或RBC-PFC24 h后全血細胞計數；

（g） 靜脈注射RBC-PFC24 h后主要器官組織切片的H&E染色。

【小結】

該研究成功制備了由RBC膜包覆PFC乳液的仿生氧氣遞送系統。所得納米制劑RBC-PFC顯示出不隨時間變化的高度結構穩定性，并且具有與天然RBC相似的強大攜氧能力。值得注意的是，RBC-PFC制劑能夠在體外細胞實驗中顯著減輕缺氧條件帶來的負面影響，并能夠在出血性休克模型中完全復蘇小鼠。該平臺結合了兩個組分的優點：將化學合成PFC的高載氧能力與天然RBC細胞膜的高生物相容性良好結合。RBC-PFC的制備是將天然RBC轉化為穩定的半合成納米乳液的簡便方法，可以在將來用作延長易變質人類血液制品的有效儲存方法。RBC-PFC可以在庫存過剩時由過期的RBC合成，并可以長期保存，以便在高需求期間使用，可以大大簡化血液供應管理后勤。作為有效的氧氣載體，該仿生納米乳液系統最終可以幫助解決目前臨床中廣泛存在的患體缺氧的重大問題。

文獻鏈接：Biomimetic Nanoemulsions for Oxygen Delivery In Vivo（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804693）

本文由材料人生物材料組、納米組小胖紙編譯。

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