研究背景

血栓形成與許多心血管疾病有關(guān)，如心肌梗死和中風(fēng)。它是一個全球性的健康問題，也是導(dǎo)致死亡的主要因素之一。但是，目前血栓形成的臨床診斷局限于疾病晚期，從而導(dǎo)致治療窗口狹窄，難以提供合理有效的治療。另外，臨床用的溶栓藥物，通常半衰期短，且可能會引起過敏反應(yīng)及產(chǎn)生不必要的組織出血等問題。結(jié)合納米藥物在疾病診療中的優(yōu)勢，利用納米藥物在血栓形成的診斷和治療也取得了較好的效果，引起科研人員的廣泛關(guān)注。

Nano-Medicine for Thrombosis: A Precise Diagnosis and Treatment Strategy

Min Su#,?Qixuan Dai#,?Chuan Chen, Yun Zeng, Chengchao?Chu*,?Gang Liu*

Nano?Micro Lett.(2020) 12:96

本文亮點

1.?本文綜述了納米藥物在血栓癥診斷和治療方面的最新研究進展。

2.?基于血栓生物標志物和納米分子探針的體內(nèi)成像可以實現(xiàn)血栓癥的早期診斷。

3.?納米載藥系統(tǒng)可作為抗血栓治療的有效方式，并且具有較好的臨床轉(zhuǎn)化可行性。

內(nèi)容簡介

廈門大學(xué)劉剛教授課題組在本綜述中總結(jié)了納米藥物在血栓診斷和治療的最新進展，按照功能分為六種類型的納米體系：1)使用“合成生物標志物”構(gòu)建的體外診斷體系；2)使用納米探針進行血栓的體內(nèi)診斷；3)靶向性載藥系統(tǒng)應(yīng)用于溶栓治療；4)血栓微環(huán)境響應(yīng)給藥系統(tǒng)；5)仿生納米給藥系統(tǒng)；6)基于外部激發(fā)的納米治療體系。最后，我們展望了納米藥物在臨床中血栓形成診斷和治療需要滿足的條件，以及該領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展的方向。

圖文導(dǎo)讀

I?納米藥物在血栓診斷中的應(yīng)用

1.1?體外診斷
體外診斷因其簡單、快速、無侵襲性等優(yōu)點而被廣泛研究，例如酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)已應(yīng)用于醫(yī)院診斷。以納米顆粒為基礎(chǔ)的體外診斷已被用于檢測疾病的生物標志物。然而，與血栓相關(guān)的生物標志物僅存在于血凝塊中，在血液中沒有顯著的生物標志物，因此體外診斷無法直接檢測到這些標志物。通過設(shè)計包含“合成生物標志物”的納米復(fù)合物，在注射后可以在血栓區(qū)域代謝后釋放“合成生物標志物”，并且通過腎臟過濾到尿液中。進一步的收集尿液，就可以實現(xiàn)“合成生物標志物”的測試。

Bhatia等人以氧化鐵納米蟲(NWs)作為含有血栓響應(yīng)肽(TAP)-標記肽序列的納米載體(圖1-a)。制備的納米復(fù)合材料對凝血酶有選擇性，并且在凝血酶活性作用下釋放多肽片段。收集尿液后，利用ELISA和試紙可以實現(xiàn)多肽片段的測定。但是這種體系需要較長時間的代謝，無法實現(xiàn)血栓的快速測定。在進一步的研究中，Bhatia等將TAP多肽衍生物偶聯(lián)到聚乙二醇支架(PEG-T1E)表面，制備另一種“合成生物標志物”納米復(fù)合材料(圖1-b)。該PEG-T1E的水動力直徑約為8 nm，可以促進納米復(fù)合材料的皮下注射進入血流。此外，皮下注射合成生物標記物3 h后，就可以在尿液中測試到“合成生物標志物”，從而實現(xiàn)血栓的快速診斷。

圖1.?基于“合成生物標志物”的血栓癥體外診斷。

1.2?體內(nèi)成像

目前，已經(jīng)有許多體內(nèi)成像方法用于血栓的診斷，其中超聲成像(US)、磁共振成像(MRI)和正電子發(fā)射斷層成像(PET)在血栓的臨床診斷中得到廣泛應(yīng)用。然而，常規(guī)影像學(xué)方法僅適用于晚期血栓，對血栓形成的早期診斷和評估仍難以實現(xiàn)。已知許多生物學(xué)特性，如纖維蛋白、活化的血小板、因子XIII等，都與血栓的形成密切相關(guān)。血栓形成相關(guān)生物標志物的可視化是現(xiàn)代分子成像的基礎(chǔ)，進一步的研究對于疾病的精準治療是必要的。

結(jié)合納米探針良好的成像性能，含有靶向分子的納米顆粒造影劑可以用來準確檢測血栓。2017年，Cui等制備了二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧基二亞胺(PDI)衍生物，并將其組裝成有機半導(dǎo)體納米顆粒(~40 nm)，該納米粒子具有優(yōu)異的光聲(PA)性能(圖2)。進一步表面靶向修飾后，將cRGD-PDI納米顆粒靜脈注射到體內(nèi)，并且通過PAI進行研究。如圖2所示，cRGD-PDI納米顆粒能夠識別出早期血栓，顯示出良好的成像性能。此外，cRGD-PDI納米顆?？梢詤^(qū)分早期血栓和晚期血栓，有助于理解血栓溶解過程。

基于納米結(jié)構(gòu)的體內(nèi)成像診斷已成為研究最多的方法。體內(nèi)成像需要兩個重要因素：1)納米探針應(yīng)具有突出的成像性能或在血栓形成的微環(huán)境中顯示成像；2)表面修飾使造影劑具有較長的循環(huán)時間、血栓靶向性和適當(dāng)?shù)纳锇踩浴?/p>

圖2.cRGD-PDI納米顆粒的制備及在早期血栓癥PAI中的應(yīng)用。

II?納米藥物在血栓治療中的應(yīng)用

2.1?靶向性溶栓載藥系統(tǒng)

納米載藥系統(tǒng)也應(yīng)用在溶栓治療中，并且已經(jīng)驗證有明顯優(yōu)于單純?nèi)芩▌┑闹委熜Ч?。由于脂質(zhì)體表面修飾，并且容易包裹藥物，成為了溶栓劑的首選遞送載體。此外，聯(lián)合使用體外激發(fā)可以在血栓部位顯示有效的釋放，如回聲性脂質(zhì)體(ELIP)，采用脂質(zhì)單分子層外殼，包裹八氟丙烷，并裝載重組人組織型纖溶酶原激活物(rt-PA)。該納米復(fù)合材料注射體內(nèi)后，在表面修飾的靶向分子作用下富集在血凝塊中，局部外用US使rt-PA釋放并激發(fā)空化活性，實現(xiàn)溶栓效果。

Colasuonno等利用聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)和聚乙二醇(PEG)制備了一種模擬紅細胞的盤狀納米結(jié)構(gòu)，其獨特的結(jié)構(gòu)可以防止藥物在腦內(nèi)積聚，減少腦出血。組織型纖溶酶原激活劑(tPA)被共軛在材料表面。納米復(fù)合材料獨特的結(jié)構(gòu)使其在體內(nèi)長期循環(huán)，并具有良好的溶栓效率。

除了溶栓藥物外，基因治療藥物也被應(yīng)用于溶栓治療。為此，一類水蛭素重組質(zhì)粒(pDNA)被構(gòu)建，并通過凝血因子Xa(FXa)基因連接。此外，RGDyC和PEG在聚酰胺樹狀聚合物(PAMAM)上進行了改性。然后，pDNA可以吸附在PAMAM表面。利用表面修飾的RGDyC，pDNA可以靶向血栓部位。在血栓中，可以表達重組水蛭素融合蛋白，并且該蛋白同時表達的RGDyC可誘導(dǎo)抗血栓形成的第二次靶向效應(yīng)。

隨著研究的深入，更多的有機或無機納米結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于血栓的治療中。這些遞送體系的設(shè)計應(yīng)考慮三個因素：1)納米結(jié)構(gòu)的形貌、大小和表面修飾應(yīng)有助于納米藥物在血凝塊中富集，而且納米結(jié)構(gòu)本身應(yīng)具有低生物毒性；2)納米藥物應(yīng)該具有較好的穩(wěn)定性，并且在血液中溶栓藥物不從納米微載體釋放；3)多功能納米顆粒應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)影像學(xué)指導(dǎo)。

2.2?血栓微環(huán)境響應(yīng)給藥系統(tǒng)

基于疾病微環(huán)境的藥物精準釋放從而減少健康組織中的藥物釋放的遞送策略也被廣泛研究。并且，這種釋放策略非常適合于溶栓藥物的釋放，可以減少溶栓劑的副作用。在血栓形成過程中，過氧化氫(H2O2)在血小板活化中發(fā)揮著重要作用，并能夠刺激額外的血小板聚集。因此，H2O2是活化血小板的一個重要的生物標志物，H2O2抑制劑可以區(qū)分出活化的血小板與正常的血小板，從而顯示出特異性抗血栓的治療效果。

Lee等人制備了H2O2響應(yīng)的纖維蛋白靶向成像和抗血栓納米復(fù)合物(FTIAN)(圖3)。其中，F(xiàn)TIAN表面含有以纖維蛋白為靶點的多肽、響應(yīng)H2O2的硼酸鹽、熒光探針I(yè)R820共價結(jié)合聚合物，以及裝載有溶栓劑(tirofiban)的內(nèi)核。在血栓斑塊中，由于H2O2的作用，F(xiàn)TIAN可以解聚，然后釋放tirofiban。同時，減少H2O2可以下調(diào)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和可溶性CD40配體(sCD40L)。因此，F(xiàn)TIAN顯示出抗氧化和抗炎作用，有利于抗血栓形成和溶栓。

圖3.H2O2響應(yīng)的溶栓治療。

2.3 仿生納米給藥系統(tǒng)

除了有機或無機納米結(jié)構(gòu)，大量仿生納米粒子也被應(yīng)用在藥物載運系統(tǒng)中。其中，細胞膜納米粒子由于來源于細胞，并且具有生物相容性高、血液循環(huán)時間長、容易基因工程改造等特點，而被廣泛研究。在血栓的形成中，最主要的過程是血小板的聚集和活化。因此，血小板膜具有聚集在血栓斑塊中的能力，血小板膜(PM)包裹的納米藥物也被應(yīng)用在血栓治療中。2016年，Gu等人在PM包裹的納米顆粒表面修飾了tPA，制備了仿生納米溶栓劑。如圖4所示，PM可以包覆在聚合物內(nèi)核的表面，制備的tPA-PM-NP約為127 nm。并且，靜脈注射后，該納米復(fù)合物能夠很好的聚集在肺血栓中。此外，在體內(nèi)經(jīng)過較長時間的循環(huán)后，tPA的仍然能夠保持酶活性。將tPA-PM-NP注射到肺血栓模型后，纖維蛋白原的熒光強度明顯降低。

圖4.?PM包裹的納米溶栓治療。

2.4?基于外部激發(fā)的納米藥物治療體系

除了使用溶栓藥物治療外，還可以應(yīng)用機械作用、熱療和活性氧等進行溶栓治療。在體內(nèi)成像的幫助下，僅在血栓部位進行激發(fā)可以減少對正常組織的損害。例如，Zhong等人將全氟化碳(PFH)包裹在PLGA納米顆粒中，并將Fe3O4納米顆粒加載到PLGA表面(圖5)。進一步修飾靶向CREKA肽后構(gòu)建了多功能相轉(zhuǎn)變?nèi)芩{米藥物。該多功能納米復(fù)合物還具有MR、PA和US造影劑的性能，從而可以實現(xiàn)多模態(tài)成像指導(dǎo)下的體內(nèi)血栓形成的診斷。在靶向多肽的作用下，納米復(fù)合物可以富集在血栓斑塊位置。然后，在血栓處通過低強度聚焦US(LIFU)激發(fā)，血塊經(jīng)歷了血細胞的溶血、纖維蛋白降解和自變形后發(fā)生溶栓效果。

圖6.多模態(tài)成像引導(dǎo)的HIFU血栓治療。

III?結(jié)論和擴展

目前，許多基于納米藥物的血栓診斷和治療方法已被報道，其中一些已經(jīng)取得了較好的效果。我們總結(jié)了血栓診斷和治療體系需要具備的條件：

1)首先，納米藥物在血栓部位的積累是臨床治療的前提。利用靶向抗體或多肽等對納米藥物進行修飾具有重要意義。同時，納米藥物的形態(tài)、大小和表面親水性調(diào)節(jié)也影響納米藥物在血栓中的富集。

2)其次，溶栓藥物可引起不良組織或部位出血，甚至引起其他心血管疾病或器官損害。利用血栓微環(huán)境或光/聲/磁激發(fā)的給藥系統(tǒng)，實現(xiàn)藥物只能在血栓部位釋放而正常組織內(nèi)僅泄漏少量的可控釋放，以降低副作用。

3)實時成像不僅可以將血栓斑塊與其他正常組織區(qū)分開來，還可以提供血栓的詳細信息。因此，影像引導(dǎo)下的治療是個性化治療的關(guān)鍵因素。

作者簡介

楚成超

本文通訊作者

廈門大學(xué) 副研究員

▍主要研究領(lǐng)域

主要是致力于醫(yī)學(xué)影像探針、疾病診療一體化的研究。圍繞重大疾病新生血管動物模型開展了一系列基礎(chǔ)研究工作。

▍主要研究成果

在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、 Advanced Functional Materials、Advanced Science、Theranostics等高影響力學(xué)術(shù)期刊以第一作者或通訊作者發(fā)表論文10 余篇。榮獲福建省優(yōu)秀博士畢業(yè)論文，中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會優(yōu)秀博士論文。獲得授權(quán)中國發(fā)明專利6項，青年科學(xué)基金項目、博士后面上資助。

▍Email:?chuchengchao0225@163.com

劉剛

本文通訊作者

廈門大學(xué) 特聘教授

▍主要研究領(lǐng)域

主要從事分子影像探針、生物醫(yī)用高分子、藥物/基因傳輸體系等工作。

▍主要研究成果

國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金獲得者。入選中組部萬人計劃青年拔尖人才、教育部新世紀優(yōu)秀人才、福建省特支計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等。作為通訊/并列通訊作者在PNAS、Nat Commun、Sci Adv、JACS、Adv Mater等國際知名雜志發(fā)表SCI論文80余篇，并入選科睿唯安(Clarivate Analytics)2019年度全球“高被引科學(xué)家”榜單。參編全國高校規(guī)劃教材4部、英文專著12部。獲得國家專利授權(quán)7項，其中2項進行了企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移及臨床轉(zhuǎn)化。

▍Email:?gangliu.cmitm@xmu.edu.cn

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