分享一篇发表在Advanced Materials上的文章，标题为“Glycocalyx-Mimicking Nanoparticles with Differential Organ Selectivity for Drug Delivery and Therapy”。文章的通讯作者是来自韩国科学技术院（KAIST）的Sangyong Jon和Hee-Seung Lee教授，Sangyong Jon教授主要研究方向为生物医学、生物技术、生物材料、纳米医学等交叉领域，主要的研究重点是生物医学在疾病诊断和治疗方面的应用，如纳米药物抗癌抗炎治疗、用于癌症和传染病的纳米疫苗和肿瘤干细胞等。Hee-Seung Lee教授主要研究方向为合成新的可以模拟生物聚合物结构和功能的非天然低聚物，如肽和核酸。
器官选择性药物递送有望最大限度地提高各种治疗方式的疗效，同时最大限度地降低其全身毒性。脂质纳米颗粒和聚合体可以指导mRNA或基因编辑机制的器官选择性递送，但它们的递送主要局限于肝脏、脾脏和肺。迫切需要一个能够向这些及其他靶器官递送的平台。
糖萼作为一种细胞的碳水化合物外壳，对许多生物过程至关重要，糖萼中的异质糖部分可以被另一细胞的受体、凝集素或糖萼多价识别。糖萼单糖部分的类型、组成和空间排列可能决定了其对靶细胞的结合亲和力和选择性。基于此，作者开发了一个由五个随机组合的糖模块组成的糖基模拟纳米颗粒库（GlyNPs），用于筛选和识别具有所需组织或细胞趋向性的GlyNP。并使用直接体内文库筛选来鉴定在肝脏、脾脏、肺、肾脏、心脏和大脑中具有优先生物分布的 GlyNP。每个器官靶向 GlyNP 都显示器官内的细胞趋向性。肝脏、肾脏和脾脏靶向GlyNP靶向药物可有效缓解乙酰氨基酚诱导的肝损伤、顺铂诱导的肾损伤和免疫性血小板减少症的症状。此外，GlyNP 的差异器官靶向不受蛋白冠的影响，而是受其表面糖部分的影响。基于GlyNP的平台有望实现治疗药物的器官和细胞靶向递送。
为构建GlyNP库，作者将哺乳动物中最丰富的五种糖的甲基丙烯酸酰胺形式（Glcβ/A、Galβ/B、 Manα/C、GlcNAcβ/ D、GalNAcβ/E）与2-氨基乙基甲基丙烯酸酯（AMA）和甲基丙烯酸（MAA）通过可逆加成-碎裂链转移 （RAFT）随机共聚获得 31 种糖聚合物以构建GlyNP库（图1）。每种GlyNP都与疏水性近红外染料Cy7.5连接，生成荧光GlyNP（Cy7.5）文库用于体内生物分布筛选（图1，2a）。对31个GlyNPs（Cy7.5）的紫外-可见光谱和动态光散射分析证实染料偶联（图2b），自组装纳米颗粒的流体动力直径为≈4 - 20 nm，zeta电位几乎为0（图2c-e）。图2. 近红外荧光GlyNP文库构建和生物分布的体内筛选
完成GlyNP和GlyNPs（Cy7.5）库构建后，作者研究了GlyNPs上展示的不同糖基组合是否会导致它们在不同器官上的生物分布。实验结果发现GlyNPB和GlyNPAB在肝脏中高度积累（图2f，i）。GlyNPAD和GlyNPACD为高肾靶向，与低靶向候选物相比，肾脏积累水平至少高出5倍（图2g，j）。GlyNPC和GlyNPAC为高脾脏靶向（图2h，k）。体内器官生物分布研究结果表明，GlyNP上糖部分的组合表面展示决定了它们的器官靶向能力，并且GlyNP文库可用于设计识别器官靶向纳米颗粒。图3. 肝脏、肾脏和脾脏靶向 GlyNP 的细胞趋向性
高器官靶向GlyNP是否可以靶向其靶器官内的特定细胞类型，作者在感兴趣的器官中比较了表现出最高和最低积累的GlyNP的细胞趋向性（图3a）。小鼠注射GlyNP 3小时后分离靶器官的相关细胞类型流式细胞术分析，结果表明与低靶向的GlyNPAC相比，高肝靶向的GlyNPAB显示出更高的肝细胞靶向水平。然而在Kupffer细胞和肝窦内皮细胞中却表现出相反的趋势。 Kupffer 细胞和 LSEC 通常被视为肝细胞靶向药物递送的障碍，因此 GlyNPAB的肝脏和肝细胞靶向表明它可能对肝脏相关疾病的药物递送和治疗更有效（图3b，c）。高肾靶向GlyNPACD对肾小管上皮细胞和白细胞的摄取显著高于低靶向GlyNPAB（图3d，e），而两种GlyNP均显示肾内皮细胞的低水平摄取。两组间的排尿率无明显差异，表明表明 GlyNPACD 的肾脏靶向分布不是由大小依赖性肾清除介导的，而是由纳米颗粒中的糖组分介导的。与低靶向的GlyNPE相比，高脾靶向的GlyNPAC被巨噬细胞具有更高的摄取。尽管B细胞和T细胞在脾脏中含量丰富，但这两种GlyNPs对这些细胞的摄取较低，这表明GlyNPAC对脾脏巨噬细胞具有选择性。综上所述，GlyNPs上组合展示的糖部分决定了它们与靶器官中特定细胞类型的相互作用，赋予了纳米颗粒器官靶向能力。图4. 肝靶向GlyNPAB(BR)靶向治疗APAP诱导的肝损伤
在证实了肝脏靶向GlyNPAB的肝细胞靶向能力后，作者进一步研究了其在肝脏疾病模型中靶向药物传递和治疗的潜在用途。在乙酰氨基酚（APAP）诱导的肝损伤模型下，高肝靶向GlyNPAB和GlyNPB比非靶向GlyNPAC表现出更高水平的肝脏积累（图4a-c）。GlyNPAB比GlyNPB具有更高水平的积累，因此被选为肝脏靶向候选药物用于后续研究。内源性抗氧化剂/免疫调节分子BR的纳米颗粒在各种疾病模型中显示出有效的抗炎功效，将BR附着在GlyNP上，生成GlyNPAB(BR)和GlyNPAC(BR)（图4d），并分别在体外和体内水平评估了GlyNPAB(BR)对APAP诱导的肝损伤模型的治疗效果。小鼠体外模型评估结果表明GlyNPAB(BR)处理组与对照组相比显著降低了APAP诱导的血清丙氨酸转氨酶（ALT）水平、天冬氨酸转氨酶（AST）水平，缓解了坏死和凋亡，大大降低了肝组织ROS水平和肝毒性相关肝中性粒细胞浸润（图4e-m）。综上所述，GlyNPAB可以将靶向药物递送到肝和肝细胞以进行有效的治疗。图5. 肾脏靶向 GlyNPACD(BR)靶向治疗顺铂诱导的肾损伤
为评价肾靶向GlyNPs的治疗效果，作者首先研究了肾靶向GlyNPAD和GlyNPACD在顺铂诱导的急性肾损伤（AKI）小鼠模型中是否保留了它们的靶向能力（5a-c）。结果表明两种肾靶向GlyNP的肾积累均明显高于非靶向的GlyNPAB，GlyNPACD的靶向效率显著高于GlyNPAD被用于后续实验。在每日三次剂量的优化方案下，比较了高和低肾脏靶向GlyNPs的治疗效果，通过监测血清肌酐（sCr）和血尿素氮（BUN）肾损伤的标志物水平进行评估，结果表明，GlyNPACD(BR)治疗对AKI的保护作用明显优于GlyNPAB(BR)或生理盐水（5d-f）。基于肾脏切片的 H&E 和高碘酸-希夫（PAS）染色的组织学分析显示，与GlyNPAB(BR)或生理盐水治疗相比，GlyNPACD(BR)治疗的损伤和系膜基质扩张明显减少（5g-j）。肾巨噬细胞的流式细胞分析显示，尽管两种GlyNPs(BR)都能减弱活化巨噬细胞的肾脏浸润，但高肾靶向GlyNPACD(BR)比低靶向GlyNPAB(BR)更有效。上述结果表明 GlyNPACD有望用作靶向药物递送载体来治疗肾脏相关疾病。图6.装载SYK抑制剂的脾脏靶向GlyNPAC(BR)治疗免疫性血小板减少症
作者同时在免疫性血小板减少症（ITP）小鼠模型中检测了脾脏靶向GlyNPAC的药物传递和治疗潜力。与肝脏和肾脏靶向的GlyNP一致，ITP诱导的小鼠脾脏靶向的GlyNPAC和GlyNPC比未靶向的GlyNPE表现出更高的积累（图6a-c），GlyNPAC的靶向效率更高，用于后续实验。R406 是 FDA 批准的脾酪氨酸激酶（SYK）抑制剂 ，用来治疗ITP。将R406载入高、低脾靶向GlyNPs(BR)中，生成R406@GlyNPAC(BR)和R406@GlyNPE(BR)，经高效液相色谱分离测定（图6d）。为评估治疗效果，小鼠每天三次眼眶注射载药GlyNPs，在第二次纳米颗粒注射1小时后注射抗血小板自身抗体（图6e），R406@GlyNPAC(BR)处理小鼠的血小板计数明显高于生理盐水或R406@GlyNPE(BR)组，表明高脾靶向的GlyNPAC(BR)有效地将R406传递到病变的脾脏（图6f）。外周血和骨髓中细胞元件的Wright-Giemsa染色进一步支持了血小板计数的种差异（图6g）。与此同时，R406@GlyNPAC(BR)和R406@GlyNPE(BR)处理组的MHC II+巨噬细胞数量显著减少（图6h，i），表明低靶向的GlyNPE也将一些R406传递到脾脏。其中，高脾靶向R406@GlyNPAC(BR)显著减少了IFN-γ+TH1细胞的数量（图6j，k）。综上结果表明，已鉴定的脾靶向GlyNPAC具有作为靶向治疗脾相关疾病的靶向药物递送载体的潜力。图7. 在选定的GlyNPs上形成的冠状蛋白的蛋白质组学分析。
为验证GlyNPs的不同器官靶向分布是由糖基介导的，还是由其表面形成的蛋白冠介导的，作者对具有高、低器官靶向的GlyNPs进行了蛋白质组学分析（图7）。结果表明，无论其器官靶向倾向如何，所有测试的 GlyNP 类型的蛋白冠组成具有统计学上的显着相似性。综上所述，GlyNPs的差异器官积累主要是由GlyNPs表面展示的糖基组合模式介导，而与形成的蛋白冠无关。
综上所述，本文提供了概念证明，即糖萼模拟纳米颗粒库可用于识别器官/细胞靶向，并进一步证明已鉴定的器官靶向纳米颗粒可用于向靶器官和细胞递送治疗药物并治疗器官相关疾病。此外，糖萼模拟系统使我们能够识别靶向网状内皮系统以外的器官（包括肾脏）的纳米颗粒。
文章作者：CTX
原文引用：https://doi.org/10.1002/adma.202311283
责任编辑：LD
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