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北京大学创新纳米药物，通过抑制线粒体通道治疗肺纤维化
近日，“Advanced Science”（IF=14.3）上发表了一篇题为“Double Braking Effects of Nanomedicine on Mitochondrial Permeability Transition Pore for Treating Idiopathic Pulmonary Fibrosis”的文章。这篇文章提出了一种针对特发性肺纤维化的新型纳米医学治疗策略，即通过“双刹车”机制抑制线粒体通透性转换孔的开放。
研究背景介绍
特发性肺纤维化（IPF）是一种慢性、进行性的肺部疾病，其特征是肺泡结构的破坏和肺间质的纤维化。这种疾病的发病原因尚不明确，通常会导致肺功能逐渐下降，预后较差，中位生存期大约为2-3年。
线粒体通透性转换孔（mPTP）是位于线粒体内膜上的一个非特异性、电压依赖性的复合孔道，由多种蛋白质组成，包括环孢素D（CypD）、腺苷酸转运酶（ANT）和电压依赖性离子通道（VDAC）。mPTP的开放与多种细胞损伤和凋亡过程相关。
研究思路分析
01基础研究与纳米颗粒特性
①通过qRT-PCR检测IPF患者肺组织中与线粒体功能相关的基因表达水平，发现这些基因的表达水平较健康人降低，表明IPF患者肺细胞中线粒体功能障碍。进一步研究发现，IPF患者肺组织中线粒体钙离子转运体（MCU）基因和蛋白表达水平显著高于健康人，尤其是在纤维化区域的II型肺泡上皮细胞（AECIIs）中。此外，在BLM诱导的肺纤维化小鼠模型中评估了siMCU纳米颗粒的效果。结果显示，siMCU纳米颗粒能够减轻肺组织损伤、抑制胶原沉积，并降低纤维化标志物的表达，表明下调MCU表达可能是治疗IPF的潜在策略。
②为提升IPF的治疗效果，开发一种新的siMCU递送系统。合成了一种新型的CsA衍生离子化脂质（3D-lipid）其对照脂质（2D-lipid），用于siRNA的递送。这种脂质与siRNA结合形成的3D-LNP/siRNA NPs在粒径和zeta电位上表现出均匀性，保护siRNA效果良好。这些纳米颗粒在雾化、稀释和储存过程中显示出高稳定性，适合用于肺部siRNA递送。研究显示，3D-LNP/siRNA NPs在pH 5.0时能迅速释放siRNA，而在pH 7.4时siRNA释放量很少，表明其具有良好的pH响应性。表明，3D-lipid基的LNPs在siRNA递送方面具有更好的稳定性和效率。
02体外实验与机制探究
①研究发现，3D-LNP/siMCU NPs和2D-LNP/siMCU NPs对AECIIs型A549细胞均表现出良好的生物相容性。通过流式细胞术和共聚焦激光扫描显微镜成像发现，两种纳米颗粒在细胞摄取方面无显著差异，但3D-LNP/siLUC NPs对荧光素酶（LUC）的基因沉默效率更高。通过共聚焦激光扫描显微镜成像、荧光共振能量转移（FRET）测定和参数P值计算，结果表明3D-lipid可促进溶酶体逃逸，其P值较高，呈倒锥形，在酸性环境中能更强地破坏溶酶体膜稳定性，最终提高了siRNA转染效率。
②mPTP对细胞损伤和凋亡起着重要作用，环孢素A（CsA）能够通过与线粒体基质中的CypD结合来抑制mPTP的开放。研究发现3D-lipi对mPTP开放的抑制作用与CsA相当，通过对接和分子动力学模拟发现3D-lipi与CypD结合能力与CsA相当，且3D-lipid保留了与CypD的大部分结合位点，涉及多种相互作用。进一步研究表明，D-LNP/siMCU NPs能有效下调BLM诱导的A549细胞中MCU的表达水平。通过CoCl2-calcein-AM荧光猝灭法检测，发现3D-lipid与CypD结合以及siRNA下调MCU表达的协同效应能够抑制mPTP的开放。
③为了研究3D-LNP/siMCU NPs在体外抗纤维化的机制，多个检测指标结果显示，3D-LNP/siMCU NPs可以减轻线粒体功能障碍，减少DAMPs的释放，抑制NF-κB信号通路，从而抑制EMT过程和纤维化，在体外表现出显著抗PF效率。此外，建立3D多细胞肺球模型进一步验证，发现3D-LNP/siMCU NPs能够更有效地抑制促纤维化因子的分泌和成纤维细胞的激活。
03体内实验与优化
①研究中使用活体成像系统检测了3D-LNP/Cy5-siRNA NPs在肺组织中的保留时间，发现其在肺部可有效沉积达7天，提示7天间隔给药适用于体内实验。研究进一步在BLM诱导的PF小鼠模型中探究其体内治疗效果，发现3D-LNP/siMCU NPs可显著减轻肺组织损伤、抑制胶原沉积、降低相关指标表达水平，其抑制效果优于已批准的抗PF药物吡非尼酮。此外，3D-LNP/siMCU NPs还表现出良好的生物相容性，未在主要器官和血液学指标中引起异常。
②基于MC3的siRNA递送系统Patisiran（Onpattro）于2018年获得FDA批准的首个商业化siRNA治疗药物。然而商业MC3可电离脂质制剂（MC3/siMCU NPs）由于雾化后LNP的不稳定性而受限。开发了含有3D-lipid的Opt-MC3/siRNA NPs，以提高稳定性和治疗效果。Opt-MC3/siRNA NPs在粒径、PDI和储存稳定性方面优于MC3/siRNA NPs，且在A549细胞中显示出良好的生物相容性和基因沉默效率。在BLM诱导的PF小鼠模型中，Opt-MC3/siMCU NPs比MC3/siMCU NPs更能减轻肺组织损伤、抑制胶原沉积，并降低α-SMA和TGF-β水平，展现出更强的治疗效果。此外，Opt-MC3/siMCU NPs在降低MCU表达、MDA、H2O2、NO水平以及EMT相关基因表达方面也表现更优，且具有良好的生物相容性，是一种有潜力的IPF治疗方法。
图1. MCU在IPF中AECIIs的作用
图2. 3D-LNP/siRNA NP的特性
图3. 3D-LNP/siRNA NPs对BLM诱导的A549细胞的细胞摄取、溶酶体逃逸和siRNA转染
图4. 3D-lipid对mPTP开放的体外抑制效应
图5. 3D-LNP/siMCU NPs的体外抗肺纤维化效果
图6. 3D-LNP/siMCU NPs对BLM诱导的PF小鼠模型的体内治疗效果
图7. Opt-MC3/siMCU NPs对BLM诱导的PF小鼠模型的体内治疗效果
图8. abstract
结论与讨论
本研究开发的3D-LNP/siMCU NPs在体外和体内模型中均显示出对IPF的显著治疗效果。这种基于纳米颗粒的siRNA递送系统能有效抑制mPTP的开放，减少DAMPs的释放，并抑制EMT过程，从而减轻肺纤维化。与现有的MC3/siMCU NPs相比，3D-LNP/siMCU NPs具有更好的稳定性和疗效，为IPF治疗提供了一种新的策略。
未来的工作应关注优化纳米颗粒的递送效率，以及在不同IPF患者群体中验证治疗效果。还应考虑开展临床试验，以评估这些纳米颗粒在实际患者中的适用性和效果，为IPF治疗提供更多的科学依据。
应用
对于国自然选题方向，以下几点可供参考：
⩥深入研究线粒体中其他与IPF相关的靶点，如探索线粒体动力学相关蛋白在 IPF 中的作用机制，以及针对这些靶点开发新型纳米药物。
⩥将纳米药物与现有抗纤维化药物或其他治疗手段联合，探索协同治疗效果，如纳米药物联合免疫调节疗法治疗IPF的研究。
⩥从线粒体与细胞其他细胞器的相互作用角度，深入探究IPF发病机制，为开发新治疗方法提供理论依据，如线粒体与内质网在IPF中的交互作用研究。