急性肺损伤的转化医学

    除了转化研究的缺陷外，目前药物治疗对人类ALI/ARDS的失败部分源于药物输送到肺部位受阻和疾病病变中药物积累的不可用性;也就是说，我们仍然在处理传统的系统性给药问题。为了解决这个问题，利用纳米技术进行药物修饰为改善药理学结果同时减少副作用开辟了一条新的途径。常见的策略包括表面修饰以增加循环时间和靶向效率，尺寸操纵以控制穿透生物屏障或在治疗部位内积聚，以及一次命中用于治疗或协同目的的多种功能，其中可生物降解和生物源材料可以从潜在的临床转化中获益更多(图3)。

    干细胞，特别是间充质干细胞(MSCs)，由于其安全性和有效性被广泛接受，长期以来一直被视为ALI/ARDS的保护和修复疗法。然而，考虑到其潜在的肿瘤发生、高免疫原性和不稳定的血液动力学，MSC来源的细胞外囊泡(EVs)正在出现和不断成为替代品。大多数类型的细胞分泌EVs，这是一种质膜结合的核颗粒，携带多种生物分子(如核酸、蛋白质)，用于细胞间通讯。纳米级EVs在ALI/ARDS治疗中的表现优于亲本细胞疗法，这可能是由于受体免疫细胞的吸收改善和抗炎microRNA或/和调节蛋白的富集。

    在脂多糖雾化的ALI小鼠模型中，MSC EVs通过静脉或气管内给药将miR-27a-3p转移到肺泡巨噬细胞中，使核因子κB亚基1 (NFKB1)下调，使巨噬细胞极化从促炎表型转变为抗炎表型，从而减轻炎症和缓解ALI，与MSCs的治疗效果相当。在皮下注射芥子气诱导的ALI小鼠中，骨髓间充质干细胞来源的小EVs增加上皮屏障蛋白如E-cadherin、claudio-1和G蛋白偶联受体家族C组5型A (GPRC5A)的蛋白表达，并通过YAP信号通路促进Bcl-2和紧密连接蛋白的表达，从而抵抗细胞凋亡，修复肺泡屏障功能。在ALI小鼠模型中，来自脂肪来源的MSCs或内皮祖细胞的小EVs通过各种信号通路分泌多种生物分子(如激素、microRNA)，导致类似的内皮修复。此外，在气管内注射LPS的小鼠肺组织中，线粒体呼吸和ATP合成明显受损，导致肺泡膜破裂，静脉注射MSC来源的EVs通过线粒体转移重建肺泡毛细血管屏障的完整性，从而减轻肺损伤。

    各种生物来源的电动汽车含有大量的各种生物活性物质，因此在各种ALI模型中具有不同的治疗效果。同时，改变了内部含量或/和表面特性的工程电动汽车已被用于治疗ALI动物。在ALI小鼠中，原代成纤维细胞被β-catenin和转录因子gata4转导，其衍生的EVs被补充了具有抗炎和抗纤维化作用的功能性miRNA。

    同样，分离凝血酶激活的小鼠血小板，在体外血小板孵育中加入抗炎药，收集上清中的血小板源性EVs，选择性递送至肺部位，并猝灭ALI小鼠的细胞因子风暴。最近，SARS-CoV-2病毒刺突蛋白受体结合域(RBD)被遗传地结合到293 T细胞源性EV的外表面，这种RBD标记的EV可以装载功能性miRNA并特异性递送到表达hACE2的小鼠中。

    同时，细胞膜封闭的纳米载体代表了一种新的仿生平台，在药物递送方面具有优势，可以治疗包括ALI/ARDS在内的多种疾病。首先，被单一类型细胞膜伪装的颗粒利用其独特的表面特性，从而增加血液循环，提高靶向特异性，降低免疫抵抗。例如，吸入时，包裹有血小板膜的纳米囊泡在肺部积聚，并且所递送的药物降低了ALI小鼠的促炎细胞因子水平。其次，来自不同细胞膜的杂化配体可以提供多种多样的活性多重靶向组合。巨噬细胞和4T1乳腺癌细胞融合膜包被的纳米颗粒在体内小鼠肺转移性肿瘤结节中具有较高的积累和摄取，效果显著。此外，将富含ACE2的293 T细胞分泌的EVs与人单核细胞融合制成纳米颗粒雾化，可有效诱导LPS诱导的ALI小鼠的SARS-CoV-2结合并中和炎症。然而，这些细胞膜涂层策略在生物医学应用中面临着一些挑战，包括有限的细胞类型选择和由于某些细胞来源而具有免疫原性/致癌的可能性。

    脂质纳米颗粒(LNPs)是最常见的非病毒载体，可以平衡生物安全性和传递效率，它们在临床前和临床环境中的广泛应用赋予了它们充分研究的生物学特性，如药代动力学和毒性谱。例如，聚乙二醇化磷脂，即1,2-二硬脂酰-sn -甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-[甲氧基(聚乙二醇)-2000](DSPE-PEG2k)与人胰高血糖素样肽-1 (GLP-1)在水溶液中自组装形成胶束(水动力学尺寸= ~ 15 nm)，在暴露于雾化LPS后皮下注射到ALI小鼠中，显示出剂量依赖性的肺部高炎症反应逆转。

    LNPs通常以可电离脂质为主要框架，胆固醇为填充材料，辅助脂质改善细胞摄取，聚乙二醇(PEG)脂质减少蛋白质调理和免疫清除。LNPs的精确组成可以定制，确定其物理化学性质。一种含有多种磷脂、PEG-脂质和胆固醇的LNPs优化配方，成功地通过雾化将血凝素抗体的信使RNA (mRNA)包裹并递送到被甲型流感病毒致命亚型感染的小鼠肺部，显著提高了生存率。

    在LNPs中，脂质体的独特之处在于它们具有双层磷脂的囊泡结构，核心处有一个空心球体，疏水或亲水的货物可以插入脂层或水腔中。在气管内给药LPS的小鼠中，血管内注射含有疏水超氧化物歧化酶/过氧化氢酶模拟物的PEG脂质体，并在表面对血小板内皮细胞粘附分子进行抗体功能化，显示出颗粒在肺部积聚，抗氧化干预的抗炎作用，以及进一步装载亲水药物以补充肺部治疗的潜力。最近，脂质体包埋疏水甲基强的松龙和亲水N-乙酰半胱氨酸(黏液溶解剂)可显著减少LPS诱导小鼠肺部的促炎细胞因子和粘液分泌，其中静脉注射和气管内给药分别在肺内皮和上皮中引起高颗粒积聚。

    LNPs由于其非免疫原性、优异的生物相容性和装载能力，已成为进入临床的最成功的mRNA递送载体。在COVID-19大流行期间，两种mRNA疫苗BNT162b2(辉瑞-biont)和mRNA1273 (Moderna)已获得美国食品和药物管理局(FDA)的紧急使用授权。LNP包封的编码SARS-CoV-2刺突蛋白的mRNA疫苗在预防病毒感染、降低COVID-19疾病严重程度和降低COVID-19相关死亡率方面具有显著疗效。

    天然或合成聚合物是一类含有重复化学单元的材料。各种不同结构的聚合物，已被用作药物纳米载体。在肺给药治疗ALI/ARDS中，高分子材料被用作药物载体，靶向或响应炎症微环境，如缺氧和酸性环境、过多的酶、免疫细胞迁移和促炎细胞因子升高。

    在最近的一项研究中，用两亲性共聚物聚(β氨基酯)-聚乙二醇(PAE-PEG)包封疏水的(2-[(氨基羰基)-氨基]5-(4-氟苯基)-3-噻吩甲酰胺(TPCA1)，并将生物素化的PEG进一步偶联到亲和素标记的细胞间粘附分子-1 (ICAM1)抗体上，用于靶向lps雾化ALI小鼠的肺内皮。其中对PH敏感的PAE在发炎肺部的酸性环境下降解，从而释放TPCA-1来抑制细胞因子的产生。同样，抗炎糖皮质激素地塞米松被加载到聚(1,4-苯乙二甲基硫酮)和聚硫酮聚氨酯的混合物中形成纳米级颗粒，在静脉给药后，在LPS受损的肺部被ROS激活时，聚合物丰富的硫酮键被破坏。结果，现场释放的地塞米松有效清除肺泡水肿，抑制炎症细胞浸润，缓解ALI。

    除了PH和ROS，这种用于ALI治疗的刺激反应性聚合物纳米颗粒可以设计和制备，以响应炎症肺相关的病理环境，如氧化还原变化、蛋白质过表达和中性粒细胞迁移。然而，已经发现聚合物，特别是阳离子聚合物，本身可能通过使气道中的关键蛋白质失活而导致ALI。因此，进一步开发用于肺输送的高分子纳米材料需要广泛的毒性测试和生物安全性评估。

    ALI是一种有多种病因的复杂疾病，而ARDS是ALI的一种弥漫性严重形式，每年在全世界夺去数百万人的生命。在COVID-19大流行期间，由SARS-CoV-2引起的肺炎进展为ALI/ARDS已成为COVID-19相关死亡的重要原因。虽然许多候选药物在临床前试验和临床试验早期阶段显示出显著的疗效，但目前支持治疗是ALI/ARDS治疗的主要方法，没有临床批准的药物治疗方法。这种现实世界的困境主要源于ALI疾病的异质性，以及人类ALI和动物模型之间的病理生理差异。ALI研究中仍有许多未解决的问题，如特定的信号通路，环境和遗传的影响，以及通气和药物的联合策略。从好的方面来看，由先进的生物或合成材料制成的纳米级输送系统对于精确靶向和控制抗炎药物在受伤肺部的释放有着很大的希望。然而，这些给药平台是否会引起局部/全身毒性或任何长期负面影响，值得继续关注和努力。

    与ALI治疗的异质性和复杂性相比，目前的ALI诊断标准相对简单。迫切需要新的可视化技术来诊断ALI，并与特定的ALI病因联系起来，以帮助了解ALI/ARDS的发病机制和区分亚型。这种新的成像方式应该能够实时监测体内肺病理生理。此类研究应在临床试验中实施，将治疗效果与患者临床表现联系起来。此外，对ALI患者的组织样本进行活检和尸检以改善疾病表型将是非常有益的。同时，由于临床试验总是劳动密集型、耗时和昂贵的，新兴的大数据技术(如机器学习)可能是改善ALI/ARDS治疗合理设计的重要补充。