精准医疗的创新药物递送系统
新型药物递送工具如DNA条形码纳米盘和仿生囊泡正在推动精准医疗发展并提升治疗安全性。
文章发表于2025年9月22日
安迪·泰博士
新加坡国立大学生物医学工程助理教授
安迪·泰博士毕业于加州大学洛杉矶分校，在斯坦福大学完成博士后训练期间开发了免疫工程纳米技术。现任新加坡国立大学总统青年教授，其实验室专注于癌症免疫治疗与组织修复的创新方法研发。
魏承东博士
新加坡国立大学杨潞龄医学院骨科系副教授兼研究主任
本文阅读时长：8分钟
随着生物技术进步，“药物”的定义正在扩展。研究人员已开发出多种治疗药物，涵盖小分子、蛋白质到核酸（如DNA、小干扰RNA及信使RNA）。新冠疫情期间mRNA疫苗的成功以及近期基因治疗的进展，凸显了分子载荷作为药物的巨大潜力。
然而，精准医疗面临的主要障碍在于如何将分子载荷精准递送至目标组织和细胞。虽然蛋白质和核酸类治疗载荷已实现规模化生产，但若无法靶向递送至目标组织，疗效将大打折扣。当这些药物在非靶向组织大量累积时，还会引发安全性问题。本文探讨了利用脂质纳米颗粒和膜包被纳米囊泡等材料提升药物递送精准性、有效性和安全性的新兴技术。
DNA条形码用于高通量体内筛选
当脂质纳米颗粒等药物递送剂进入体内时，其最终分布位置难以控制。这是因为体内生物分布受循环系统、组织屏障及蛋白酶降解等多种因素影响。
传统开发组织或细胞靶向递送载体时，研究人员需先在细胞、类球体和类器官等体外模型中测试材料库。但众所周知，体外模型无法反映体内环境的复杂性。若全部在动物体内测试则耗费巨大资源。
条形码技术为高通量体内筛选提供了有效途径。设想超市自助结账时，扫描打印条形码即可识别商品。
同理，可为每种药物递送载体标记独特DNA条形码，随后同时注入动物体内。根据目标组织或器官需求，递送后取出组织进行消化测序，检测DNA条形码存在情况。若DNA条形码A检出频率最高，则表明该载体在目标组织中累积最多。此方法实现多种递送载体体内生物分布的同步筛选，大幅降低动物实验的时间与成本。
Mukalel团队利用该方法筛选出一种可转染单核细胞以消除表达CD19的B细胞的氧化脂质纳米颗粒。消除B细胞对B细胞白血病及因异常抗体分泌引发的自身免疫疾病具有治疗价值。针对嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法存在的肿瘤浸润不足和毒性问题，CAR-单核细胞及CAR-巨噬细胞（CAR-M）疗法或可提供解决方案。但体外制备CAR-M成本高昂且操作不便。Mukalel团队致力于开发体内CAR-M制造技术，以提升治疗可及性，但细胞靶向特异性仍是关键挑战。
该团队首先利用髓系细胞对氧化脂质的亲和性，设计了不同氧化程度的可电离脂质结构库。将这些脂质与其他成分混合，通过微流控装置与含荧光素酶mRNA的水相形成脂质纳米颗粒。mRNA作为生物标志物证明载荷完整递送并可翻译为可视化蛋白信号，其他成分则促进内体逃逸、稳定纳米颗粒并延长循环时间。
在人单核细胞系（THP-1）和原代巨噬细胞测试中，氧化脂质纳米颗粒始终优于非氧化版本。研究发现电离作用可促进脂质纳米颗粒从内体逃逸，这对高吞噬性巨噬细胞转染尤为有利——氧化材料使载荷更高效逃离巨噬细胞酸性亚细胞区室。
体内筛选阶段，表现最佳的脂质纳米颗粒同时包含氧化和非氧化载体，表明精准医疗中组织与细胞靶向的复杂性。作者指出血清蛋白结合、蛋白冠形成及肝脏生物转化等因素均会影响递送载体的组织趋向性和稳定性，并强调纳米颗粒测试必须超越体外模型。流式细胞术分析显示，单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞等吞噬性髓系细胞在血液、脾脏和淋巴结中优先摄取脂质纳米颗粒。
最终，团队使用最优载体C14-O2递送编码抗CD19 CAR的mRNA。在2%循环单核细胞中检测到抗CD19 CAR，但在CD3+ T细胞或CD19+ B细胞中未检出。相比对照组小鼠，该治疗使B细胞比例降低45%。
这些结果印证了化学组成对递送效能的影响。但除化学因素外，粒子形状等物理特性同样至关重要。
纳米粒子形状对细胞摄取的影响
肿瘤包含癌细胞、内皮细胞和免疫细胞等多种细胞类型。研究发现不同细胞类型对纳米粒子形状存在偏好，但此前仅限体外验证。
Huang团队应用DNA条形码技术为六种金纳米颗粒（两种尺寸、三种形状）标记独特条形码。由于该技术尚未用于无机递送载体，他们通过系列测试验证条形码类型不影响细胞摄取、剧烈震荡后条形码脱落极少且耐受DNA酶降解。利用此系统，发现4T1乳腺癌细胞更偏好棱柱形而非棒状金纳米颗粒，前者递送siRNA的效能更佳。
然而，合成不同形状纳米颗粒存在难度。多数脂质纳米载体基于球形结构，但越来越多研究表明形状会影响体内生物分布、组织趋向性和细胞靶向性。目前脂质纳米颗粒组装成非球形形态需添加合成聚合物、蛋白质或脂质-聚合物偶联物，这会带来免疫原性升高和补体激活等挑战。
为克服此局限，Pires团队通过引入带电脂质头基，从混合胶束中生成稳定盘状脂质纳米颗粒。他们假设含两个邻近电荷的脂质可增加头基电荷密度，使纳米盘在生理离子强度缓冲液中保持稳定，无需使用仅能产生不稳定小单层脂质体的低离子强度缓冲液。通过测量尺寸和zeta电位，作者确认新方法可形成稳定纳米盘。
随后，作者用聚-L-精氨酸和聚-L-谷氨酸薄双层包被纳米盘——此前研究发现该涂层可促进纳米粒子与卵巢癌细胞表面结合且不触发内吞作用。给予双层包被纳米盘的小鼠在肿瘤中显示出更高载体累积量，证实盘状形态结合卵巢癌靶向双层涂层能显著提升脂质纳米颗粒向转移性卵巢癌的递送效率。该研究展示了通过简易方法创建非球形脂质纳米颗粒以改善癌症治疗组织靶向性。
工程化仿生纳米囊泡实现靶向药物递送
另一种前景广阔策略是工程化仿生纳米囊泡：通过目标细胞膜包被纳米颗粒进行伪装，使其继承供体细胞特性（如免疫逃逸和组织归巢能力）。
Ma团队采用此方法解决骨髓血液屏障递送难题。他们分离具有自然渗透骨髓血管并归巢至骨髓能力的骨髓基质细胞（BMSCs）膜，包被聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）递送骨质疏松治疗药物特立帕肽（TPD），以及用四面体框架核酸（tFNA）递送阿霉素酸释放系统治疗骨转移和全身转移性乳腺癌。
为深入理解膜蛋白如何影响骨归巢、免疫原性、循环时间和载药量，作者对膜表面保留蛋白进行蛋白质组学分析。发现骨髓基质细胞关键标志物及骨特异性蛋白（如CD151和CD276）均保留在生物杂化纳米粒子上。有助于逃避免疫检测的CD47和CD44等蛋白也得以保留。
使用仿生PLGA纳米颗粒实验显示，TPD递送提高了血清钙和骨钙素水平，成骨细胞活性也显著增强。骨小梁骨矿物质密度测量进一步证实仿生纳米颗粒能更有效保留骨量以对抗骨质疏松。最终，团队建立乳腺癌骨转移小鼠模型，证明仿生tFNA纳米颗粒递送阿霉素至骨组织的效能优于未修饰纳米载体，可更有效减轻转移严重程度。
新加坡国立大学杨潞龄医学院副教授兼研究主任魏承东博士解释道：“体外实验显示，仿生PLGA纳米颗粒向BMSC递送TPD效率最高，表明BMSC来源膜涂层增强了细胞摄取。但该摄取在多大程度上反映BMSC的选择性同源靶向仍不确定，需通过非BMSC细胞类型的比较研究进一步验证。此外，仿生PLGA纳米颗粒内化的确切机制尚未阐明，尚不清楚摄取主要通过膜融合、受体介导内吞还是多种途径组合实现。”
魏承东补充道：“未来研究应使用通路特异性抑制剂、实时活细胞成像和细胞内共定位分析来解析这些机制，以更好理解生物工程纳米粒子的细胞转运动态和靶向效率。关键的是，这些洞察还将帮助确定仿生PLGA纳米颗粒是否促进内体逃逸，从而实现TPD的有效胞质递送——这是最大化治疗效能的关键步骤。”
拓展药物递送工具库
生物医学进步已识别出日益扩大的分子靶点库及其对应治疗载荷。但精准医疗的实现取决于在正确时间、以正确剂量将正确药物递送至正确位置。药物递送载体在确保治疗有效性和安全性方面发挥着关键作用。
DNA条形码技术将助力识别具有组织与细胞靶向能力的材料，而合成工艺改进可扩大筛选材料库。除合成材料外，探索生物杂化策略同样重要——例如利用细胞膜作为诱饵使合成纳米颗粒逃避免疫监视，或作为增强剂促进载荷向靶组织和细胞的运输。所有这些进展将推动领域向实现下一代分子药物的精准递送迈进。
参考文献
- Mukalel AJ等. 氧化mRNA脂质纳米颗粒用于单核细胞原位嵌合抗原受体工程化改造. Adv Funct Mater. 2024;34(27):2312038.
- Huang X等. 条形码金纳米颗粒体内筛选揭示形状对肿瘤靶向的影响. Adv Funct Materials. 2025;35(1):2411566.
- Li Z等. 肿瘤靶向递送用纳米粒子力学性能研究进展. Chem Soc Rev. 2025;54(11):5698-5734.
- Pires IS等. 电荷稳定纳米盘：脂质纳米颗粒新类别. Adv Mater. 2024;36(52):2408307.
- Ma W等. 具有先天归巢能力的骨髓基质细胞衍生工程化仿生纳米囊泡用于靶向递送. Adv Mater. 2025:e05714.
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