Nature Nanotechnology綜述：如何設計有效的遞送系統？

【研究背景】

遞送系統是21世紀最重要的研究課題之一。遞送是指將一種藥劑從體外帶到體內特定靶點的能力。將藥物輸送到患病特定的組織或細胞對于患者的診斷和治療至關重要。近年來，研究人員在開發新的成像劑、治療學和生物工具方面取得了重大進展。這些新興技術令人振奮，因為它們提供了細胞和分子精確治療疾病的能力。藥劑通常被整合到納米粒子、細菌、病毒和其他載體中，以保護不被降解，并使它們能夠被運送到生物靶點。然而，實驗發現大多數納米顆粒通常積聚在非靶組織中。遞送可以根據遞送載體的大小，形狀，表面化學性質，剛度和化學組成而變化，但是達到特定生物學目標的最佳設計尚不清楚。目前的設計范式主要是從物理（即化學和材料特性）而未從生物學角度進行考慮，如：組織和器官過濾作用阻止納米顆粒進入靶點；納米顆粒在從給藥部位到病灶部位的過程中的生物系統屏障；在非靶點的積聚會產生有害的副作用，降低疾病部位的藥物量，從而降低制劑的療效。

【成果簡介】

近日，加拿大多倫多大學Warren C. W. Chan教授討論了納米顆粒輸送系統以及疾病的生物學應如何指導其設計，并建議開發一個框架，以構建使用納米粒子-生物相互作用數據和計算分析來指導未來納米材料設計和傳輸策略的最佳傳輸系統。該文章近日以題為“A framework for designing delivery systems”發表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖一、生物水平的納米顆粒屏障

傳遞障礙的數量隨著傳遞目標的深入而增加。器官通常是最容易將納米材料輸送到的地方，而亞細胞結構則最困難，因為納米顆粒在到達最終目的地時有更多的障礙。

圖二、納米顆粒傳遞屏障的系統視圖

（a）納米顆粒傳遞過程的屏障框架示意圖。納米顆粒被體內連續的屏障清除，只有一小部分被送到靶向目標。

（b）使用屏障框架模擬將納米顆粒藥物遞送至實體腫瘤核的例子。僅有百萬分之一的納米顆粒可能到達腫瘤細胞核，而沿傳輸路徑的納米顆粒連續損失。

（c）納米粒子必須克服的不同障礙才能達到癌癥治療的不同治療靶點的詳細說明。

圖三、分析納米粒子-生物相互作用數據集的計算示意圖

用于理解或預測納米粒子與生物相互作用的計算工具可用于分析包含有關不同納米粒子的庫及其生物相互作用的信息的大型數據集。有納米顆粒的特性（大小、形狀、表面化學、材料、表面電荷）以及疾病或患者的特定特性（疾病階段、體內位置、表型、基因組圖譜、年齡）影響給定制劑達到目標疾病部位的能力。基于統計的計算方法提供了可用于將多個輸入參數與所需輸出參數關聯的工具，例如給定納米材料制劑對特定遞送目標的生物分布、藥代動力學特征或遞送效率。

圖四、設計和測試用于遞送的納米制劑的合理策略

最終靶標的生物學特性以及與納米顆粒相互作用的器官/細胞將決定其遞送效率。提出了一種針對特定臨床應用的個性化納米顆粒設計的新工作流程：（1）分析病變靶點的病理生理；（2）將信息和遞送目標輸入計算機算法；（3）算法生成納米顆粒的設計規范，合成并表征這些納米粒子；（4）確定是否需要佐劑來增加遞送；（5）在注射納米顆粒之前、之中或之后，將納米顆粒單獨或與佐劑一起注射給患者；（6）監測有或沒有佐劑的納米顆粒的臨床性能。在治療方案期間，重復步驟（1）以測量疾病的變化和脫靶效應。隨著病理生理和生物學反應的改變，每一輪治療可能需要不同的納米顆粒設計。

【結論展望】

作者對遞送領域的發展方向提出了獨特的看法。近年來，納米顆粒的合成、表征，以及在成像和疾病治療中的靶向性大大發展。目前有些研究正在設計納米顆粒的高通量文庫，以在體內和體外遞送和針對患病靶標進行篩選，以鑒定最佳制劑。但是該方法無法評估物種之間篩選結果的相關性。作者提出了采用更合理的方法來工程化納米顆粒作為藥物的輸送工具，一旦有足夠的高質量的納米生物相互作用的數據集，這種方法就可以適用于基于納米材料的化療、放療和免疫療法。

文獻鏈接：A framework for designing delivery systems ( Nature Nanotechnology, 2020, DOI: 10.1038/s41565-020-0759-5)

本文由大兵哥供稿。

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