工程师设计类似药物纳米载体以逃避肺部防线

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院助理教授蔡立恒软生物物质实验室的研究人员表示，一种通过绕过肺部自然防御系统来治疗疾病的载药分子为患有慢性或致命呼吸系统疾病的人带来了新的希望。

蔡教授及其团队(包括材料科学与工程专业博士生黄百强和生物医学工程专业博士生何志坚)利用实验室自己的“微型人体气道”成功证明了纳米载体的有效性。该设备可以捕捉人体气道的几何和生物特征。

他们在《ACS Nano》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的研究结果。

突破我们的防线

我们的肺部有多层保护层，可以捕获病原体或吸入的颗粒并将其排出呼吸系统，以防止我们生病。每次你擤鼻涕时，这个系统都在工作。

黄说：“不幸的是，同样的障碍也阻止药物到达目标细胞，使得哮喘、慢性阻塞性肺病和肺纤维化等疾病难以治疗。”

这种新型聚合物被称为瓶刷状聚乙二醇，简称 PEG-BB。它能模仿粘蛋白，快速穿过气道壁垒。粘蛋白是一种天然糖蛋白，负责黏液的特性，具有与瓶刷相同的形状——中央有骨架，向外延伸出一丛刷毛。

黄说：“我们认为，瓶刷载体的灵活性和类似蠕虫的几何形状可以让它穿过纤毛周围紧密的粘液和凝胶网，被上皮细胞内化，而药物则需要在那里发挥作用。”

纤毛是细胞表面的毛发状结构。它们与粘液一起运动以排斥和排出异物。

为了验证他们的假设，研究小组在他们的装置中培养了人类呼吸道上皮细胞。他们从两个方向将荧光 PEG-BB 分子引入细胞中。

然后他们用染料穿透粘液和纤毛周围层——后者是包裹纤毛的凝胶。他们没有对上皮细胞壁进行染色，这有助于标记上皮的边界。

他们使用专门的显微镜和暗室来清晰地查看图像，从而能够看到发光的瓶刷分子在细胞中的移动情况。

最近取得的一系列成功

黄说：“微型人体气道基本上是细胞生长的等效家园。”

蔡教授补充道：“它的生物学相似性让我们能够研究人类肺部防御系统，而不会对生物造成伤害。”蔡教授的实验室专门开发用于多种用途的新型瓶刷聚合物，其中许多用途突破了精准医疗的界限。

例如，他的生物打印程序最近生产出了可能是第一个可按需打印器官的 3D 构件。

PEG-BB 的发现代表了该实验室一系列成功的又一个。

蔡说：“我们认为这项创新不仅有望更好地治疗肺部疾病并减少副作用，而且还为治疗影响全身粘膜表面的疾病开辟了可能性。”

实验室的下一步是测试 PEG-BB 携带药物分子穿过粘液屏障的能力。该团队正在小鼠体内和体外模型上进行实验。