Nature Nanotechnology综述：如何设计有效的递送系统？

【研究背景】

递送系统是21世纪最重要的研究课题之一。递送是指将一种药剂从体外带到体内特定靶点的能力。将药物输送到患病特定的组织或细胞对于患者的诊断和治疗至关重要。近年来，研究人员在开发新的成像剂、治疗学和生物工具方面取得了重大进展。这些新兴技术令人振奋，因为它们提供了细胞和分子精确治疗疾病的能力。药剂通常被整合到纳米粒子、细菌、病毒和其他载体中，以保护不被降解，并使它们能够被运送到生物靶点。然而，实验发现大多数纳米颗粒通常积聚在非靶组织中。递送可以根据递送载体的大小，形状，表面化学性质，刚度和化学组成而变化，但是达到特定生物学目标的最佳设计尚不清楚。目前的设计范式主要是从物理（即化学和材料特性）而未从生物学角度进行考虑，如：组织和器官过滤作用阻止纳米颗粒进入靶点；纳米颗粒在从给药部位到病灶部位的过程中的生物系统屏障；在非靶点的积聚会产生有害的副作用，降低疾病部位的药物量，从而降低制剂的疗效。

【成果简介】

近日，加拿大多伦多大学Warren C. W. Chan教授讨论了纳米颗粒输送系统以及疾病的生物学应如何指导其设计，并建议开发一个框架，以构建使用纳米粒子-生物相互作用数据和计算分析来指导未来纳米材料设计和传输策略的最佳传输系统。该文章近日以题为“A framework for designing delivery systems”发表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图一、生物水平的纳米颗粒屏障

传递障碍的数量随着传递目标的深入而增加。器官通常是最容易将纳米材料输送到的地方，而亚细胞结构则最困难，因为纳米颗粒在到达最终目的地时有更多的障碍。

图二、纳米颗粒传递屏障的系统视图

（a）纳米颗粒传递过程的屏障框架示意图。纳米颗粒被体内连续的屏障清除，只有一小部分被送到靶向目标。

（b）使用屏障框架模拟将纳米颗粒药物递送至实体肿瘤核的例子。仅有百万分之一的纳米颗粒可能到达肿瘤细胞核，而沿传输路径的纳米颗粒连续损失。

（c）纳米粒子必须克服的不同障碍才能达到癌症治疗的不同治疗靶点的详细说明。

图三、分析纳米粒子-生物相互作用数据集的计算示意图

用于理解或预测纳米粒子与生物相互作用的计算工具可用于分析包含有关不同纳米粒子的库及其生物相互作用的信息的大型数据集。有纳米颗粒的特性（大小、形状、表面化学、材料、表面电荷）以及疾病或患者的特定特性（疾病阶段、体内位置、表型、基因组图谱、年龄）影响给定制剂达到目标疾病部位的能力。基于统计的计算方法提供了可用于将多个输入参数与所需输出参数关联的工具，例如给定纳米材料制剂对特定递送目标的生物分布、药代动力学特征或递送效率。

图四、设计和测试用于递送的纳米制剂的合理策略

最终靶标的生物学特性以及与纳米颗粒相互作用的器官/细胞将决定其递送效率。提出了一种针对特定临床应用的个性化纳米颗粒设计的新工作流程：（1）分析病变靶点的病理生理；（2）将信息和递送目标输入计算机算法；（3）算法生成纳米颗粒的设计规范，合成并表征这些纳米粒子；（4）确定是否需要佐剂来增加递送；（5）在注射纳米颗粒之前、之中或之后，将纳米颗粒单独或与佐剂一起注射给患者；（6）监测有或没有佐剂的纳米颗粒的临床性能。在治疗方案期间，重复步骤（1）以测量疾病的变化和脱靶效应。随着病理生理和生物学反应的改变，每一轮治疗可能需要不同的纳米颗粒设计。

【结论展望】

作者对递送领域的发展方向提出了独特的看法。近年来，纳米颗粒的合成、表征，以及在成像和疾病治疗中的靶向性大大发展。目前有些研究正在设计纳米颗粒的高通量文库，以在体内和体外递送和针对患病靶标进行筛选，以鉴定最佳制剂。但是该方法无法评估物种之间筛选结果的相关性。作者提出了采用更合理的方法来工程化纳米颗粒作为药物的输送工具，一旦有足够的高质量的纳米生物相互作用的数据集，这种方法就可以适用于基于纳米材料的化疗、放疗和免疫疗法。

文献链接：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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