第一作者：Qiangzhe Zhang

通讯作者：张良方

通讯单位：加州大学圣地亚哥分校

研究亮点：

1. 制备了一种由中性粒细胞膜包裹的纳米颗粒。

2. 该纳米材料在不同的动物关节炎模型上均表现出良好的抗炎效果和预防性治疗反应。

风湿性关节炎是世界范围内一种常见的慢性炎症性疾病，也是造成人类残疾的主要原因之一。尽管目前在研究临床使的用抗细胞因子生物制剂方面取得了一些进展，但是针对风湿性关节炎的治疗效果仍然不能令人满意，这主要是由于细胞因子交互作用的复杂性和细胞因子的多样性所导致的。

有鉴于此，加州大学圣地亚哥分校张良方教授课题组展示了一种基于纳米技术的广谱抗炎策略用于治疗风湿关节炎。

图1 中性粒细胞膜包覆的纳米颗粒设计示意图

研究制备的中性粒细胞膜包裹的纳米颗粒继承了源细胞的抗原和相关膜功能，使它们成为靶向中性粒细胞的生物分子的理想“诱饵”。结果表明，这些纳米颗粒可以去中和促炎的细胞因子来抑制炎症，并且可以深入到软骨基质中提供强有力的软骨保护，防止关节损伤。在由胶原蛋白诱发的小鼠关节炎模型和人类转基因小鼠关节炎模型中，中性粒细胞膜包裹的纳米颗粒被证明可以改善关节损伤和整体关节炎的严重程度，显示出良好的抗炎治疗效果。

动态光散射（DLS）测量结果显示，与未涂覆的PLGA核相比，包裹有中性粒细胞膜的纳米材料水动力直径增加了18纳米；并且表面的Zeta电位比内核的负性程度要小。通过透射电子显微镜（TEM）在乙酸双氧铀染色后呈现一个球形的core-shell结构。

图2 纳米颗粒的表征

实验测试了中性粒细胞膜包裹的纳米材料对IL-1和TNF的结合能力，后两者在引发风湿性关节炎和促进疾病发展方面起着突出的作用。实验发现，随着中性神经细胞的增加，炎症表达水平也随之下降，这意味着一种剂量依赖性抑制效应的存在。

图3 中性粒细胞膜包裹的纳米材料体外抑制促炎因子

实验还评估了中性粒细胞膜包裹的纳米材料去抑制由细胞因子引起的软骨细胞凋亡的能力。同样发现随着中性白细胞增多，凋亡细胞的比例降低了。中性粒细胞膜包裹的纳米材料也减少了由聚蛋白多糖酶引起的聚蛋白多糖的溶解，这是由于它们中和了促进关节炎的细胞因子。应该注意的是，不同的中性粒细胞膜包裹的纳米材料在基本所有样本中都显示出不同但显著的中和效力。

通过荧光显微镜可以观察到，在股骨头的远端区域内有纳米材料的积累，并清楚地发现其已经渗透到组织中。双荧光标记也显示了在软骨渗透期间内核和中性粒细胞膜的各自定位。在靠近染色细胞核的地方可以看到强的纳米粒子信号，表明受刺激的软骨细胞对材料的吸收。中性粒细胞膜包裹的纳米材料增强的软骨渗透可能是由于中性粒细胞和软骨细胞之间的粘连相互作用所致。

图4增强软骨渗透和软骨保护

随后通过软骨组织病理学分析研究中性粒细胞膜包裹的纳米材料是否在炎症引起的软骨损伤中提供软骨保护。对照组软骨具有完整的表面和带有均匀软骨基质的软骨膜，而当培养基中添加了IL-1时，股骨头开始表现明显的软骨损伤并且在浅表区和裂缝性域中，软骨基质损失显著。即使加如红细胞膜包裹的纳米材料时，染色部分显示软骨损伤程度变化不大。

然而，当加入中性粒细胞膜包裹的纳米材料时，IL-1引起的软骨损伤停止了。并且值得一提的是，如果不增加细胞因子，中性粒细胞膜包裹的纳米材料并没有改变软骨的含量，这意味着实验所观察到的软骨保护作用是通过中和关节炎因子来调节的。

实验首先利用由诱发的关节炎（CIA）小鼠模型评估了中性粒细胞膜包裹的纳米材料对改善关节破坏的疗效。和注射了PBS、抗IL-1或抗TNF的小鼠相比，注射中性粒细胞膜包裹的纳米材料的小鼠的治疗效果与用抗IL-1或抗TNF治疗的效果相似，均显著好于PBS组。

图5 不同动物模型上的抗炎治疗效果

实验也进一步利用人类转基因小鼠关节炎模型研究了中性粒细胞膜包裹的纳米材料的软骨保护功效。与之前类似，中性粒细胞膜包裹的纳米材料，抗TNF和PBS被注射到不同组小鼠体内。与CIA的模型相似，中性粒细胞膜包裹的纳米材料的治疗效果大大好于PBS组。H＆E染色实验显示了中性粒细胞膜包裹的纳米材料组对关节软骨中软骨细胞的保护，与PBS组的软骨细胞消耗和基质变形形成鲜明对比。

最后，为了评估中性粒细胞膜包裹的纳米材料的广泛适用性，实验利用一种预防性治疗方案来测试其抗关节炎效果。组织学分析证实接受中性粒细胞膜包裹的纳米材料治疗的小鼠的免疫浸润的减少和对软骨的保护作用。尽管中性粒细胞膜包裹的纳米材料是被局部注射并且主要保留在膝关节处，但它们仍会消除扩散性的致炎性因素，从而引发系统性的治疗反应进而减轻整体疾病的进展和严重程度。

图6预防性治疗后引发系统性的治疗反应

综上所述，这一工作开发出中性粒细胞膜包裹的纳米材料并证明了它们作为类风湿关节炎治疗药物的抗炎潜力。

参考文献：

Zhang Q, Dehaini D, Zhang Y, et al. Neutrophil membrane-coated nanoparticles inhibit synovial inflammation and alleviate joint damage in inflammatory arthritis[J]. Nature Nanotechnology, 2018.

DOI: 10.1038/s41565-018-0254-4

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0254-4