第一作者：Qiangzhe Zhang
通訊作者：張良方
通訊單位：加州大學(xué)圣地亞哥分校
研究亮點(diǎn)：
1. 制備了一種由中性粒細(xì)胞膜包裹的納米顆粒。
2. 該納米材料在不同的動(dòng)物關(guān)節(jié)炎模型上均表現(xiàn)出良好的抗炎效果和預(yù)防性治療反應(yīng)。
風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎是世界范圍內(nèi)一種常見的慢性炎癥性疾病，也是造成人類殘疾的主要原因之一。盡管目前在研究臨床使的用抗細(xì)胞因子生物制劑方面取得了一些進(jìn)展，但是針對(duì)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療效果仍然不能令人滿意，這主要是由于細(xì)胞因子交互作用的復(fù)雜性和細(xì)胞因子的多樣性所導(dǎo)致的。
有鑒于此，加州大學(xué)圣地亞哥分校張良方教授課題組展示了一種基于納米技術(shù)的廣譜抗炎策略用于治療風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎。
圖1 中性粒細(xì)胞膜包覆的納米顆粒設(shè)計(jì)示意圖
研究制備的中性粒細(xì)胞膜包裹的納米顆粒繼承了源細(xì)胞的抗原和相關(guān)膜功能，使它們成為靶向中性粒細(xì)胞的生物分子的理想“誘餌”。結(jié)果表明，這些納米顆粒可以去中和促炎的細(xì)胞因子來抑制炎癥，并且可以深入到軟骨基質(zhì)中提供強(qiáng)有力的軟骨保護(hù)，防止關(guān)節(jié)損傷。在由膠原蛋白誘發(fā)的小鼠關(guān)節(jié)炎模型和人類轉(zhuǎn)基因小鼠關(guān)節(jié)炎模型中，中性粒細(xì)胞膜包裹的納米顆粒被證明可以改善關(guān)節(jié)損傷和整體關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度，顯示出良好的抗炎治療效果。
動(dòng)態(tài)光散射（DLS）測(cè)量結(jié)果顯示，與未涂覆的PLGA核相比，包裹有中性粒細(xì)胞膜的納米材料水動(dòng)力直徑增加了18納米；并且表面的Zeta電位比內(nèi)核的負(fù)性程度要小。通過透射電子顯微鏡（TEM）在乙酸雙氧鈾染色后呈現(xiàn)一個(gè)球形的core-shell結(jié)構(gòu)。
圖2 納米顆粒的表征
實(shí)驗(yàn)測(cè)試了中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料對(duì)IL-1和TNF的結(jié)合能力，后兩者在引發(fā)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和促進(jìn)疾病發(fā)展方面起著突出的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著中性神經(jīng)細(xì)胞的增加，炎癥表達(dá)水平也隨之下降，這意味著一種劑量依賴性抑制效應(yīng)的存在。
圖3 中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料體外抑制促炎因子
實(shí)驗(yàn)還評(píng)估了中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料去抑制由細(xì)胞因子引起的軟骨細(xì)胞凋亡的能力。同樣發(fā)現(xiàn)隨著中性白細(xì)胞增多，凋亡細(xì)胞的比例降低了。中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料也減少了由聚蛋白多糖酶引起的聚蛋白多糖的溶解，這是由于它們中和了促進(jìn)關(guān)節(jié)炎的細(xì)胞因子。應(yīng)該注意的是，不同的中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料在基本所有樣本中都顯示出不同但顯著的中和效力。
通過熒光顯微鏡可以觀察到，在股骨頭的遠(yuǎn)端區(qū)域內(nèi)有納米材料的積累，并清楚地發(fā)現(xiàn)其已經(jīng)滲透到組織中。雙熒光標(biāo)記也顯示了在軟骨滲透期間內(nèi)核和中性粒細(xì)胞膜的各自定位。在靠近染色細(xì)胞核的地方可以看到強(qiáng)的納米粒子信號(hào)，表明受刺激的軟骨細(xì)胞對(duì)材料的吸收。中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料增強(qiáng)的軟骨滲透可能是由于中性粒細(xì)胞和軟骨細(xì)胞之間的粘連相互作用所致。
圖4增強(qiáng)軟骨滲透和軟骨保護(hù)
隨后通過軟骨組織病理學(xué)分析研究中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料是否在炎癥引起的軟骨損傷中提供軟骨保護(hù)。對(duì)照組軟骨具有完整的表面和帶有均勻軟骨基質(zhì)的軟骨膜，而當(dāng)培養(yǎng)基中添加了IL-1時(shí)，股骨頭開始表現(xiàn)明顯的軟骨損傷并且在淺表區(qū)和裂縫性域中，軟骨基質(zhì)損失顯著。即使加如紅細(xì)胞膜包裹的納米材料時(shí)，染色部分顯示軟骨損傷程度變化不大。
然而，當(dāng)加入中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料時(shí)，IL-1引起的軟骨損傷停止了。并且值得一提的是，如果不增加細(xì)胞因子，中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料并沒有改變軟骨的含量，這意味著實(shí)驗(yàn)所觀察到的軟骨保護(hù)作用是通過中和關(guān)節(jié)炎因子來調(diào)節(jié)的。
實(shí)驗(yàn)首先利用由誘發(fā)的關(guān)節(jié)炎（CIA）小鼠模型評(píng)估了中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料對(duì)改善關(guān)節(jié)破壞的療效。和注射了PBS、抗IL-1或抗TNF的小鼠相比，注射中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料的小鼠的治療效果與用抗IL-1或抗TNF治療的效果相似，均顯著好于PBS組。
圖5 不同動(dòng)物模型上的抗炎治療效果
實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步利用人類轉(zhuǎn)基因小鼠關(guān)節(jié)炎模型研究了中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料的軟骨保護(hù)功效。與之前類似，中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料，抗TNF和PBS被注射到不同組小鼠體內(nèi)。與CIA的模型相似，中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料的治療效果大大好于PBS組。H＆E染色實(shí)驗(yàn)顯示了中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料組對(duì)關(guān)節(jié)軟骨中軟骨細(xì)胞的保護(hù)，與PBS組的軟骨細(xì)胞消耗和基質(zhì)變形形成鮮明對(duì)比。
最后，為了評(píng)估中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料的廣泛適用性，實(shí)驗(yàn)利用一種預(yù)防性治療方案來測(cè)試其抗關(guān)節(jié)炎效果。組織學(xué)分析證實(shí)接受中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料治療的小鼠的免疫浸潤(rùn)的減少和對(duì)軟骨的保護(hù)作用。盡管中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料是被局部注射并且主要保留在膝關(guān)節(jié)處，但它們?nèi)詴?huì)消除擴(kuò)散性的致炎性因素，從而引發(fā)系統(tǒng)性的治療反應(yīng)進(jìn)而減輕整體疾病的進(jìn)展和嚴(yán)重程度。
圖6預(yù)防性治療后引發(fā)系統(tǒng)性的治療反應(yīng)
綜上所述，這一工作開發(fā)出中性粒細(xì)胞膜包裹的納米材料并證明了它們作為類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎治療藥物的抗炎潛力。
參考文獻(xiàn)：
Zhang Q, Dehaini D, Zhang Y, et al. Neutrophil membrane-coated nanoparticles inhibit synovial inflammation and alleviate joint damage in inflammatory arthritis[J]. Nature Nanotechnology, 2018.
DOI: 10.1038/s41565-018-0254-4
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0254-4
