Small Science:纳米材料“肺暴露”——肺表面活性剂制剂的最新研究

随着纳米技术的快速发展,肺暴露作为纳米材料进入人体的主要途径已受到越来越多的关注,例如探究纳米材料毒性的风险和实现受控肺输送系统的优势。肺中形成呼吸表面的上皮细胞是机体与外界环境直接接触的最广泛和最薄的屏障。因此,为了保证正常的肺功能,同时保持屏障的完整性,肺发育了不同的细胞结构(如免疫系统和上皮细胞)和非细胞结构(如分支结构、粘液、和肺表面活性剂),通过物理化学捕获和免疫清除保护肺的方式免受有害空气物质的机制。分支状的肺结构和覆盖支气管上皮的黏液被认为是阻止潜在空气物质进入肺部的第一道屏障,它们促进了这些物质的沉积、滞留和清除。“扶梯”式的粘液纤毛将粘液运送出肺,并相当有效地清除任何沉积在呼吸道的滞留物质。此外,肺表面活性剂是覆盖整个呼吸表面的一种薄却重要的内层液体,它是阻止空气物质进入肺的重要屏障,特别是在肺泡区域。

肺表面活性物质是呼吸过程中必不可少的脂质蛋白复合物,其中90%的质量是脂质,10%是蛋白,并带有负电荷。主要是磷脂和二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)最为丰富。蛋白质部分包括四种主要蛋白质,两种疏水的(表面活性剂蛋白SP-B和SP-C)和两种亲水的(SP-A和SP-D)。前两者主要参与肺表面活性剂的界面性能,亲水性蛋白参与天然免疫防御。肺表面活性剂通过降低覆盖远端呼吸道的含水衬里液的表面张力,使其低于2mN/m,来防止肺在呼气时塌陷,从而减少呼吸的做功。这主要是由于1)界面压缩时,DPPC支撑的气液界面的高阶态(呼气)和2)SP-B和SP-C的相互作用,使肺表面活性剂组分稳定在气液界面,并使“界面扩散”和“再吸附”有效地稳定“呼吸表面”。此外,肺表面活性剂是第一道屏障,阻止空气中的颗粒和微生物到达远端呼吸道和肺泡。在这种情况下,吸入的纳米材料到达肺泡后会被表面活性剂成分覆盖,形成所谓的“生物分子冠状体”。最近的研究强调,蛋白质冠状体可以实现生物学的特征识别,因此,决定了细胞和亚细胞尺度的“宿命”和相互作用。

目前,体外人肺模型通常用于测试药物化合物、颗粒或空气污染物对不同类型肺细胞的单个细胞或复合共/多培养的影响。体外模型允许系统地研究决定气血屏障的基本参数(例如,代表性细胞、气液培养条件、呼吸样动力学等),以促进机械和结构效应,相比之下,在复杂的体内场景中,人们在没有详细知识或控制作用特征的情况下观察整体效果。令人惊讶的是,这些方法几乎没有考虑肺表面活性剂的存在,更少考虑哪些是可能被使用的最合适的表面活性剂制剂,特别是在细胞摄取和毒性研究中,肺表面活性剂已被证明对纳米颗粒(NPs)内化进入肺泡巨噬细胞具有调节作用,主要由SP-A和SP-D触发。。

图1 表面活性剂来源、取样和排除标准

为了探索肺表面活性剂在呼吸表面沉积的雾化物质的作用,以及更接近于体内情况下模拟肺泡内壁液的基本特征,德国萨尔大学Claus-Michael Lehr教授和Alberto Hidalgo博士系统研究了不同动物和人源表面活性剂制剂的组成和界面活性,并最终将其纳入体外细胞模型以研究粒子-细胞相互作用。特别是临床上和市售的肺表面活性剂,猪和人从支气管肺泡灌洗液(BALFs)中纯化的肺表面活性物质被比较。然而,获得人体BALF的方案需要高度侵入性的程序,并涉及一些伦理问题,这使得获得人体肺表面活性物质的途径极为有限。因此,其他来源,如气管支气管粘液或人工替代品,将是高度热门的模拟肺泡内壁液体。所以从人气管支气管黏液中纯化的肺表面活性物质,以及文献中提出的人工内壁液也被包括在内。图1显示了表面活性剂的来源、取样步骤和排除标准。

图2 屏障效应机理图

为了研究不同的肺表面活性剂对颗粒-细胞相互作用的潜在影响,作者使用了普通和氨基功能化SiO2,这是一种高质量的商用纳米材料,经常用于测定与生物材料的相互作用。这种材料可以被用于吸入治疗的抗真菌药物苯并噻唑酮(BTZ043)的新型纳米载体。因此,这两类材料分别被选为中性、正电荷的纳米制剂的例子。本研究表明,适当的肺表面活性剂制剂对于建立和优化肺体外细胞模型以研究与吸入颗粒物的相互作用至关重要。不含肺表面活性剂成分的人工内壁液呈现有限的相关性。与BALF天然表面活性剂相比,从肺黏液中获得的肺表面活性剂保留了磷脂成分,但缺乏表面活性剂蛋白,且未表现出适当的屏障功能。脂质和蛋白质的组成决定了界面性质,因此选择合适的表面活性剂制剂至关重要。关键质量参数包括DPPC、少量磷脂和表面活性剂蛋白的存在,必须在常规使用肺表面活性剂时进行处理,以了解和预测纳米尺度肺相互作用。只有通过磷脂和蛋白质之间的相互作用显示出足够高的界面活性的制剂,才会显著影响纳米材料的细胞相互作用。从这个意义上说,尽管受到纯化过程条件限制,完全天然的肺表面活性剂制剂仍然是最好的候选者。

论文信息:

Performance and Effects of Pulmonary Surfactant Preparations on Cellular Uptake and Cytotoxicity of Aerosolized Nanomaterials

Huck, B., Hidalgo* A., Waldow, F., Schwudke, D., Gaede, K.I., Feldmann, C., Carius, P., Autilio, C., Pérez-Gil, J., Schwarzkopf, K., Murgia, X., Loretz, B., Lehr, C.*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100003

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100067