杨咏琪,李洪亮,梁景岩

(扬州大学 转化医学研究院,江苏 扬州,225001)

动脉粥样硬化(AS)是心血管疾病的主要危险因素，然而他汀类药物治疗往往会对健康组织产生副作用，支架置入后也会产生再狭窄、炎症、血栓等[1]。动脉搭桥手术易引起并发症且康复时间较长[2]。纳米技术在靶向性、免疫原性、生物相容性等方面体现出显著优势，同时生物体的特有功能与纳米技术密切相关，于是开启了从宏观设计向微观分子排列跨越的纳米仿生技术大门[3]。本研究从生物膜涂层、蛋白载体、仿生人造血管、仿生纳米机器人4个方面阐述纳米仿生技术在AS中的研究进展，现报告如下。

1 生物膜涂层

细胞膜或类细胞膜涂层技术近年来备受研究者关注，其没有传统修饰的冗杂过程且可循环运用，细胞膜涂层的纳米仿生颗粒是由内层纳米颗粒核和外层生物膜壳组成的核壳结构[4]。不同细胞膜表面含有特定蛋白质、多聚糖、脂质层等，这赋予了纳米颗粒多样化的生物功能和广泛化的应用范围。目前广泛运用于AS靶向治疗的细胞膜来源有红细胞(RBC)、白细胞(WBC)、血小板、干细胞等，2种及以上的杂交膜可同时具备逃避免疫清除、延长机体内循环时间和提高靶向性等多重功能，执行更为复杂的任务。

1.1 RBC膜

RBC是血液中数量最多的细胞，于血液中寿命可达120 d。因此,RBC涂层技术所需的细胞膜来源丰富且于体内循环时间长。研究[5]表明，包裹了RBC膜的纳米颗粒循环半衰期可长约40 h,机制在于RBC膜表面的CD47与免疫受体SIRP-α可互相识别从而抑制巨噬细胞对RBC的吞噬作用。2019年WANG Y等[6]首次尝试将RBC膜包裹在纳米药物雷帕霉素 (RAP)@聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)上，对动脉粥样硬化性心血管疾病动物模型进行治疗。此纳米仿生疗法靶向AS病变部位的药物聚集量是一般纳米药物的2倍，治疗效果是普通纳米药物的3倍，裸药的6倍。钟元[7]用RBC膜包裹的RBC@多西他赛(DTX)/靶向多肽(CR8)可主动靶向炎性内皮细胞，经过1个月的治疗后，小鼠主动脉斑块面积减少至3.5%,坏死区域减小，易损斑块稳定性提高且长期服用没有任何毒副作用。红细胞膜的“伪装”降低了血液中免疫细胞对纳米药物的吞噬作用，增加了斑块区域纳米药物的累积，实现了用药的精准、有效、安全。

1.2 炎症细胞和免疫细胞膜

AS是一种炎症性疾病，大量的炎症细胞被募集参与其发生发展过程。鉴于此,WU G H等[8]利用WBC膜包裹超顺磁性良好的磁性纳米簇(MNCs),然后依次嵌入抗炎药物辛伐他汀(ST)和修饰靶向性载脂蛋白A-I模拟肽L-4F(AP)。由于WBC膜表面有CD45、CD3z等免疫标记分子，制备的MNC@M-ST/AP可逃避免疫蛋白的吸附，在AS早期靶向移行内膜泡沫细胞，递送药物减轻炎症和氧化应激，有显著的抗AS作用。

中性粒细胞在白细胞中占比最高。脑缺血时，由于炎症细胞因子对中性粒细胞具有趋向性，中性粒细胞不受血流影响就可穿过血脑屏障(BBB)浸润脑缺血损伤区，与病变细胞进行物质交换。同时搭配与中性粒细胞高效率结合的纳米药物，可治疗如脑缺血等炎症性中枢神经系统疾病[9]。这种基于炎症因子自主引导药物递送的思路，对于运用中性粒细胞膜涂层技术干预AS炎症反应具有重要意义。

巨噬细胞膜上高表达的整合素α4β1可以和血管内皮黏附因子-1(VCAM-1)特异性结合。鉴于此,WANG Y等[10]将巨噬细胞膜包裹在纳米药物上，构建了纳米仿生药物巨噬细胞膜/雷帕霉素纳米粒MM/RAPNPs。该纳米仿生药物通过抑制巨噬细胞和平滑肌细胞的增殖从而安全有效地抑制了AS发展，同时生物相容性良好的特性可使其成为慢性血管疾病的长期治疗药物。与此同时,GAO C等[11]首次将巨噬细胞膜包裹的活性氧(ROS)响应性仿生纳米制剂和吞噬药物载体的活细胞制剂针对AS疗效进行了对比。结果表明仿生纳米制剂可在避免被网状内皮系统清除的同时，吸附斑块中的炎症因子抑制炎症级联反应。然而，吞噬药物载体的巨噬细胞制剂在斑块炎症环境中会启动促炎机制，抗炎效果不佳。这对于后续选择有效治疗AS的合适剂型给予了指导。

1.3 血小板膜

血小板贯穿整个AS发生发展过程。当血管内皮功能发生障碍时，血小板随即被激活，靶向黏附在血管损伤处，紧接着募集炎症细胞于此，后期斑块破裂不断放大血小板的聚集效应，最终引发血栓导致梗死。运用血小板膜涂层技术或者将胶原受体[12]、糖蛋白受体和vWF受体修饰纳米颗粒，均可使纳米颗粒靶向聚集于损伤血管壁，同时搭载药物可减缓AS发展进程和支架后的促内皮化。此外，还可将磁共振造影剂修饰在血小板膜包裹的纳米颗粒表面，给药1h即可形成显著阳性对比增强效应，观察到主动脉弓处纵向弛豫时间(T1)显影，有利于实时追踪AS的动态变化[13]。

1.4 干细胞膜

干细胞区别于其他细胞，拥有无限自我更新与定向分化的独特能力，多用于血管疾病的内源性靶向修复。如TANG J N等[14]利用干细胞膜包裹载有干细胞分泌因子的纳米颗粒，研究证明在心肌梗死后，该人工细胞模拟微粒能直接与心脏组织结合并促其生长，靶向修复了AS所致的心肌损伤。此外，临床试验证明间充质干细胞通过免疫调节可抑制神经炎症反应，同时释放生长因子和营养因子内源性修复受损的神经细胞，患者神经功能得到恢复，这为运用干细胞膜涂层技术治疗中枢神经系统疾病提供了可能[15]。

1.5 外泌体

外泌体是一种可由多种活细胞分泌的直径为40～150 nm的双层膜结构囊泡，参与传递细胞间的通讯信息，同时内部可包裹纳米颗粒或来自类同源细胞的遗传物质、脂质、蛋白质等生物分子。低免疫原性、高靶向性、低毒性以及可穿越血脑屏障(BBB)等使其成为热点生物标记物和纳米药物载体[16]。

近年来，外泌体作为AS等血管疾病的潜在治疗工具受到广泛研究，可通过调节内皮功能、血管平滑肌增殖分化、血小板与巨噬细胞的活化、血管钙化等影响AS发展进程。为降低人力和时间成本，越来越多的研究旨在开发一种采用自上而下、自下而上或生物杂交策略的人工外泌体。已有研究团队制备出一种天然与合成材料相结合的“半人工模拟外泌体”，在结构和功能上精确模仿天然外泌体的同时，产量将近500倍[17]。

此基础上将不同细胞分泌的外泌体封装纳米颗粒，可构建成外泌体-纳米仿生递药系统。如采用电穿孔技术[18]将戊氨基酮戊酸己酯盐酸盐(HAL)载入M2型巨噬细胞衍生的外泌体(M2 Exo)中,M2 Exo表面的趋化因子受体和抗炎因子体现出了良好的炎症区域靶向性和抗炎性，包裹的HAL经过代谢和生物合成可产生一氧化碳和胆红素，进一步加强了抗炎作用，有利于缓解AS发展进程。同时，内源性代谢生成的中间体原卟啉IX(PpIX)可用于AS的荧光成像。因此，外泌体-纳米仿生递药系统拓宽了从外泌体角度诊治AS的思路。

2 蛋白载体

目前，具有稳定性、良好生物相容性、制备简易性等优势的蛋白类纳米仿生材料被用于合成医学影像造影剂和纳米载体药物，实现深层组织的检测诊断和靶向治疗。成像方面，以蛋白为生物模板，利用仿生生物矿化原理，制备出的纳米仿生无机复合材料较传统造影剂对比度显著增强;治疗方面，鉴于仿生核壳结构自组装的以蛋白为载体的纳米颗粒，可躲避免疫系统的吞噬。应用于诊疗AS的主要蛋白种类有脂蛋白与白蛋白，尤其是高密度脂蛋白(HDL)和牛血清白蛋白(BSA)较广泛。

2.1 重组高密度脂蛋白(rHDL)

直径5～12 nm的小颗粒HDL可自由进出动脉管壁，通过经典的逆向转运胆固醇途径能消退斑块达到抗AS的作用，同时还具有抗氧化、抗炎及激活一氧化氮合酶等生物学功能[19]。但HDL制剂仅来源于成本高昂的血浆,rHDL与HDL组分相似，模仿了人类内源性高密度脂蛋白生物学功能，可转运疏水药物且生物相容性良好、体内循环时间长、易大规模生产，是一个理想化的载药体[20]。

然而，人类遗传学和随机临床试验[21]表明，单纯性地升高血液中的HDL不能起到抗动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)的作用且阻碍血管再生。约占70%HDL蛋白成分的载脂蛋白A-I(ApoA-I)同样保留了促胆固醇逆向转运(RCT)和抗AS等生物学功能[22]。rHDL可基于 ApoA-Ⅰ α螺旋和重组ApoA-Ⅰ研发。其中，基于 ApoA-Ⅰα螺旋研发的模拟肽如5A、6F以及双螺旋复合物ETC-642，具有促进胆固醇外排、抗炎和抑制斑块形成的显著作用[23-24]。基于重组ApoA-Ⅰ研发的ApoA-Ⅰ Milano同样具有稳定斑块的作用，但由此研发的复合物ETC-216在临床试验中产生了严重的免疫刺激副作用。DUIVENVOORDEN R 等[25]将造影剂钆和近红外染料共标记的圆盘状他汀类重组高密度脂蛋白(S-rHDL)静脉注射APOE-/-小鼠模型，血管壁的核磁信号和红外成像表明该纳米仿生颗粒主动靶向聚集于主动脉斑块区域且直接作用于巨噬细胞，同时包裹的药物他汀得以充分发挥抗炎作用。结果表明，无论是短期高剂量还是长期低剂量注射S-rHDL,均具有良好的AS诊疗效果。

2.2 白蛋白自组装

由于白蛋白水溶性和载药率高、无毒性且体内循环时间长，近年来兴起了多种基于牛血清白蛋白(BSA)的自组装纳米仿生材料。同时研究[26]表明，血清白蛋白具有抗炎、抗氧化和抗凝血等生物功能，血清白蛋白水平与缺血性心脏病、血栓、脑卒中等动脉粥样硬化性疾病有关。李祥[27]从分子层面设计了2种基于BSA的自组装纳米仿生材料，首先构建以BSA为载体的光声分子探针BSA-Cy-Mito,这种探针提高了监测氧化应激、炎症过程和斑块稳定性的特异性、灵敏性，其次合成一种由巨噬细胞膜包裹的白蛋白姜黄素纳米仿生药物(MC-BSA-Cur),该药物靶向聚集于易损斑块处，具有显著抗炎、抗氧化作用。因此,BSA凭借生物相容性好、包裹能力强、水溶性高、易吸收等特点可在分子水平上合成造影剂、纳米药物，实现对活体组织深部斑块的精准诊疗。

3 仿生人造血管(支架)

AS后期，老化和破损的血管急需移植替换，然而异体血管移植会产生排斥反应，自体移植存在血管长度、大小不适配问题。模拟天然血管结构和功能的仿生人工血管不仅形状可控、血液相容性高、长期安全有效，解决了不足4 mm小直径人造血管带来的血流速慢、剪切力弱、血压低等问题，还可用于模拟建立体内血管模型研究血管结构、信号转导、新药测试等[28]。目前，制备仿生人造血管的常用方法有静电纺丝技术和3D生物打印技术。

3.1 静电纺丝技术

运用静电纺丝技术制备的人造血管纤维达到了纳米级，多孔且表面积高，有利于细胞的黏附、增殖和组织的长入，同时具有良好的力学和机械性能。鉴于此种技术,LIU K 等[29]制备了由PLA/PCL/PU 3层纳米纤维构成的仿生人造血管，内层有利于内皮细胞的黏附;中层表现出了良好的机械性能;外层有利于平滑肌的排列，保证了良好的生物相容性和力学性能。在静电纺丝技术的基础上,CHENG S等[30]同时使用微流控技术模拟血管中的排布结构，在纤维纳米薄膜材料上种植内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞3种细胞，最终将二维的薄膜卷成含有细胞聚集体的三维人造血管，通过对兔子模型的血管移植观察，该仿生人造血管对于机体无任何排斥反应且具有同样良好的力学性能。因此，静电纺丝技术实现了移植物和天然血管的精准匹配。

3.2 3D生物打印技术

纳米3D打印技术近年来广泛运用于生物医学的各个领域。较传统打印技术,3D生物打印技术的材料环保且几乎对细胞无害。血管打印方面,3D生物打印技术采用连续纤维复合材料且同时包含了细胞、生长因子、生物材料支架三要素，从而精准地仿造天然血管分级结构和功能。仿生人造血管可用于构建血管疾病模型，对复杂动脉瘤进行深层次的结构与治疗研究，或者移植入体内[31]。然而材料高昂、打印速度慢及生物相容性差等一直以来都是生物组织工程在仿生人造血管中的难点[32]。ZHU W等[33]将医学影像技术和计算机控制固化技术相结合，打印出来的人造血管血液循环正常、材料价格低廉且打印速度快，是一次突破性进步。随即而来的4D打印技术，模仿自然界生物含羞草的应激形变原理，利用3D打印受到水、温度或磁场等刺激时结构或性能改变的原理，制造出可随复杂的内环境变化而相应变化的“活”的天然组织。

4 仿生纳米机器人

仿生纳米机器人是将纳米技术与分子生物学相结合，参与细胞生命总过程的可编程分子机器人。仿生纳米机器人具有养护血管的作用，当易降解的纳米机器人植入体内后，巡逻到阻塞血液流动的血栓，可在光源、磁场、超声波等驱动下精确地靶向递送抗血小板、抗凝、扩张血管等药物，提前修复即将破裂的血管[34]。研究团队将L-精氨酸(LA)、β-珊瑚精和铜纳米颗粒(Au NPs)三者共价结合，同时表面包被VCAM-1抗体，制备出一种一氧化氮(NO)和近红外光(NIR)双驱动纳米马达机器人，当纳米机器人受到NIR照射时，通过Au NPs的光热转化，既能消融促炎巨噬细胞，又可被驱动聚集到斑块区域[35]。LA与斑块中活性氧(ROS)生成的NO不仅能修复内皮和降低氧化应激水平，还能提供额外驱动力。同时，β-珊瑚精溶解胆固醇从而有效减少斑块的脂质沉积。研究结果表明，该机器人能够有效抗AS，为新型纳米机器人的制备和AS的非药物性治疗提供新思路。加利福尼亚大学团队制备出一种人工材料硅制框架与天然鼠心肌细胞组成的纳米机器人复合物，长出的肌肉通过吸收溶液中的葡萄糖自主收缩与舒张从而带动硅制框架向前移动，可推开动脉中的脂肪沉积物从而恢复血管正常血流速度，这为研制纳米机器人的动力系统提供了思路[36]。此外，仿生纳米机器人还可通过修复受损细胞或者割补、编辑相应基因达到同样的AS治疗效果。

5 总结与展望

纳米仿生技术在生物膜涂层、蛋白载体、仿生人造血管、仿生纳米机器人等方面的研究对于AS的预防、诊断和治疗有着重要意义，未来在动脉粥样硬化中的研究将逐渐增加且多样，但应用到临床上仍面临着诸多问题。其次，部分细胞供应不充足，细胞膜提取技术复杂及过程中膜蛋白易变性或被污染，且膜上的部分蛋白作用并不能代表整体膜蛋白作用机制。再者，模拟肽、仿生人造血管、纳米机器人等成本高昂，今后需增强不同学科间的合作与交流，应用更多靶标人群能承担得起的材料。