大多數致命疾病發生在固體組織中，這些組織限制了全身藥物輸送、精確靶向和最終的治療效果。納米顆粒（NP）攜帶和屏蔽大量藥物和成像探針有效載荷的能力可以減少排泄和代謝，理論上有利于全身遞送。NP可以改善藥物的溶解度、穩定性、藥代動力學和毒性特征。盡管納米化學取得了非凡的進步，包括功能化以尋找關鍵靶點，但它們的靶向精度和治療效益仍然難以捉摸，因為NP大小（i）限制了從血液進入關鍵組織，導致靶組織濃度不足，（ii）促進了不希望的網狀內皮系統（RES）攝取，導致血液水平降低，靶組織藥物減少，毒性增加，特別是在RES組織中。為了最大限度地提高其治療效果，每個NP必須穿過內皮細胞（EC）單層襯里的血液微血管，到達所需固體組織的間質，以與其靶標結合并釋放藥物。所有NP都依賴于被動的經血管交換，主要是通過開放的窗孔、瞬時的經內皮通道、細胞間連接和/或相鄰EC之間的間隙進行擴散和/或對流。RES器官具有非常滲漏、不連續的內皮細胞，具有較大的間隙，能夠快速進入NP、血液清除和大部分積聚。但對于所有其他受到更嚴格的連續EC屏障和RES清除無益分流阻礙的組織，只有極少量的NP劑量在靶組織內緩慢積累。預防RES攝取的方法有助于延長循環時間，但精確靶向組織穿透仍然是未解決的挑戰。被動外滲似乎效率太低，以至于NP無法在非RES固體組織內與預期的同源靶標結合。由于關鍵靶組織內積聚的NP劑量不足2%，且臨床成功率低，一些科學家甚至爭論全身納米遞送是否是一種徒勞的治療策略。相比之下，NP的天然組織取向導致了系統性肝臟療法的發展，并取得了顯著的成功。迫切需要新的遞送策略，以便在非RES組織內實現納米載體的巨大前景。盡管進行了數十年的研究，但如何最好地讓NP跨越連續的EC障礙仍然不清楚。所有持續的內皮細胞都限制了NP的滲透，即使是那些具有大量特殊質膜內陷的內皮細胞，稱為小窩，可以形成各種瞬時的跨內皮通道和離散的囊泡，運輸到細胞內和穿過細胞。許多比典型NP更小的部分在連續內皮上的被動遞送需要大劑量，以在血液-組織界面上產生相當大的濃度梯度，從而驅動組織進入。然而，即使在低劑量和相當大的濃度梯度下，微囊泡也可以被純化以揭示有用的組織特異性遞送靶點，并通過出芽形成動態離散囊泡來介導連續EC的主動轉運，這些囊泡可以轉運胞嘧啶選擇結合探針。此類探針包括針對氨基肽酶P2（APP2）產生的mAPP2肺小泡靶向抗體（CTA），該抗體在體內高度聚集在肺EC小泡中。小窩泵送系統（CPS）通過從血液中提取大部分mAPP2并將其泵送穿過內皮，在靜脈注射（i.v.）后幾分鐘內淹沒肺間質，從而有效地將mAPP2濃縮在肺內。血液或其他器官中殘留的mAPP2很少。盡管到目前為止還沒有探針顯示出與主動組織穿透類似的精確、穩健和快速靶向，但RES可以在提取速度和效率上與肺CPS相匹配，盡管可以進入多個組織。微囊泡是否可以類似地泵送靜脈注射的CTA結合的NP尚不清楚，也不確定，因為微囊泡的直徑很小，約為70 nm，RES在幾分鐘內清除血液中NP的能力很強。此外，小窩頸在血管壁上提供了約30 nm的圓形開口，這些開口面向外并垂直于血流。因此，大小和流體動力以及體內中預期的廣泛EC糖萼可能會顯著阻礙NP從循環血液進入小窩。到目前為止，所有顯示肺經內皮泵送的mAPP2衍生物（Fab、scFv、雙特異性和鏈霉抗體復合物）的流體動力學直徑（HDD）均<15 nm。產生較大HDD的CTA偶聯NP的靶向需要體內詳細定量。鑒于此，加利福尼亞大學圣迭戈分校Jan E. Schnitzer研究人員通過將各種不同大小的NP與mAPP2偶聯，研究了通過小窩進行的納米泵送，以可視化和量化靜脈注射后的組織靶向性。
研究人員描述了CPS的局限性，優化了HDD范圍，以有效地將NP輸送到肺部，并回答了關鍵問題：RES或肺部CPS是否會優先用于NP攝取，CTA是否會有效地重新定位NP，或者NP最終會將CTA重新定位到RES，NP的大小和類型會在多大程度上改變結果？最終，我們發現，通過將NP重新定向到CPS，將NP精確、快速和穩健地輸送到肺部確實是可能的，CPS是一種新的主動跨細胞途徑，可以超越目前被動經內皮輸送的不足范式。本文的研究假設是CPS能夠快速地從血液循環中提取納米顆粒（NPs），并與網狀內皮系統（RES）競爭。研究人員通過放射性標記樹狀高分子PAMAM，并與mAPP2結合，進行了實驗驗證。實驗結果表明，mAPP2顯著促進了NPs在肺部的積累，而非靶向的NPs則在肝臟和脾臟中積累。SPECT-CT成像顯示，mAPP2-G5在注射后30分鐘內快速在肺部積累，并在一周后仍可檢測到。生物分布分析顯示，mAPP2-G5在1小時內的肺部攝取量是對照組的40倍以上。結果證實了CPS能夠高效地將NPs重新定向到肺部，即使在RES的競爭下也能有效工作。
圖| APP2靶向PAMAM樹突狀NPs的生物分布成像和定量為探究CPS對納米顆粒（NPs）尺寸的影響，研究人員選用了10、20和40 nm核心直徑的球形膠體金NPs。這些NPs經PEG修飾后，與mAPP2或突變型mAPP2X直接結合，后者無法結合APP2，用作對照。通過尺寸排除色譜法確認了NPs的純度，動態光散射測量得到免疫共軛NPs的流體動力學直徑分別為23、33和64 nm。實驗結果表明，mAPP2成功結合到NPs上，保留了APP2特異性，而mAPP2X及其NP共軛物則沒有結合APP2。放射性免疫納米共軛物（RINCs）通過將mAPP2和mAPP2X與125I標記后再與NPs結合制備，放射化學產率為70-85%，且在大鼠血清中37°C孵育24小時后保持穩定。總而言之，CPS能夠處理不同尺寸的NPs，并通過mAPP2實現特異性靶向，而mAPP2X則作為有效的陰性對照。為了評估靶向潛力和動力學，研究人員在大鼠注射放射性免疫納米共軛物（RINCs）后立即進行了全身平面成像。結果顯示，隨著NPs尺寸的增加，肺部攝取迅速減少。mAPP2在10分鐘時產生了強烈的肺部成像，而GNP10和GNP20共軛物在1小時時肝臟攝取增加。GNP40共軛物在10分鐘時主要顯示肝臟成像，肺部攝取較低。ROI分析顯示，所有RINCs的肺部攝取在幾分鐘內達到最大，而肝臟攝取對GNP40最快，但GNP10和GNP20在1小時后的信號增加，表明攝取動力學較慢。肺部信號隨時間適度下降，而肝臟信號則迅速減少。甲狀腺在4小時后對較大的RINCs有明顯的積累，這可能是由于RES攝取和脫碘。圖| 體內追蹤肺內皮細胞小窩靶向GNPs隨著核心直徑的增加基于這些結果，研究人員將后續實驗集中在注射后1小時，這是一個對RES和CPS都公平的時間點。SPECT-CT和平面成像顯示，mAPP2及其RINCs在肺部有精準靶向，而mAPP2X及其RINCs則失去了這一能力，顯示出在體內循環的非特異性信號。GNP10和GNP20在與mAPP2共軛時被驅動進入肺部，但與mAPP2X共軛時，它們的天然肝臟趨向性接管了靶向。GNP40與mAPP2X共軛時，特別明顯地將抗體推向肝臟。生物分布分析顯示，APP2靶向的放射性免疫納米共軛物（RINCs）在肺部的攝取顯著高于非靶向的mAPP2X-GNPs。GNP10和GNP20在肺部的攝取量顯著，而GNP40則主要積聚在RES。所有靶向指數，包括ISI、TSI、SUV和TCPI，都證實了肺部CPS的重新靶向。mAPP2顯著增加了與mAPP2X對照組相比的肺部攝取，而每種GNP都將mAPP2X有效地重新靶向到RES。肺組織靶向指數（TTI）對于mAPP2-GNP10和mAPP2-GNP20最高，但對于GNP40，肝臟和脾臟的TTI更高。TSI顯示了優異的重定向肺部特異性，而GNP40增強了RES對mAPP2X的精準靶向。SUV和TCPI證實了CPS在肺部濃縮每種GNP尺寸的能力，尤其是對于HDD≤35 nm的NPs。ICP-MS分析結果與放射標記的結果相似，支持了抗體和GNP的共分布。mAPP2結合導致肺部與肝臟或脾臟的輸送比率顯著提高。研究結果表明，通過APP2靶向，可以有效地將RINCs重新定向到肺部，并且這種效應隨著NP尺寸的增加而減弱。這些發現為設計有效的肺部藥物遞送系統提供了重要的見解。圖| CPS在選擇性地將NP重新定向到肺部并遠離RES方面的作用幾十年前，研究人員在納米顆粒（NP）這個術語出現之前，就使用鐵蛋白或蛋白包覆的金顆粒作為電子顯微鏡（EM）下的電子密集探針，觀察到小窩在NP跨內皮轉運中的動態作用。盡管早期研究顯示NPs可以通過小窩被動轉運，但效率低下，讓人質疑其生理作用。該實驗卻發現，當小窩在體內被正確靶向時，它們能迅速而精確地將NPs濃縮到特定組織中，遠超血液中的濃度。這一發現首次展示了小窩泵送系統（CPS）在NP輸送中的高效率。數據顯示，CPS的濃縮能力不是通過被動擴散，而是通過主動的囊泡轉運實現的。非靶向的NPs顯示出較少的體外擴散，表明特異性結合有助于提高轉運效率。該研究顯示，即使在RES迅速清除納米顆粒（NPs）的情況下，通過小窩靶向，研究人員可以精確地將NPs輸送到肺部。這種小窩泵送系統（CPS）的效率超過了被動輸送和RES的清除能力，甚至能處理大于30 nm的NPs。CPS的快速作用可以在NPs被RES捕獲前，迅速將它們拉入肺部組織。這表明，CPS可能比僅僅延長NPs循環時間的策略更有效。為了最大化這種效果，研究人員應該專注于尺寸小于25 nm的NPs，因為更大的NPs可能會被RES捕獲。肺部的血液供應和微血管表面積有助于NPs的快速提取，但小窩的大小限制了它們對大尺寸NPs的攝取。因此，CPS的效率隨著NPs尺寸的增加而降低。未來的研究需要探索其他組織的CPS靶向，并確定這種輸送機制的普遍性和有效性。Nayak, T.R., Chrastina, A., Valencia, J. et al. Rapid precision targeting of nanoparticles to lung via caveolae pumping system in endothelium. Nat. Nanotechnol. (2024).https://doi.org/10.1038/s41565-024-01786-z
