《Science Advances》- 山东大学药学院姜新义教授团队为IPF的可逆再生治疗开创新策略
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科学
2024-08-29 12:23
上海
Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF)Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF)，即特发性肺纤维化，是一种以永久性肺功能丧失、纤维化重塑为特征的慢性进行性肺部疾病，主要表现为慢性、进行性的肺间质纤维化。目前病因尚待明确，临床症状主要表现为活动后的呼吸困难，且多呈进行性加重，干咳、全身乏力、体重下降等。IPF的确诊，通常需参考肺活检获得病理诊断，药物治疗疗效较差则需考虑肺移植，然而患者诊断后的中位生存期仅为2至4年。目前已获得美国FDA批准的治疗IPF的药物，如尼达尼布和吡非尼酮，虽然已被相关研究证明可达到缓解肺功能下降、延缓IPF病情进展等疗效，但距离病情逆转治疗，还任重道远，而且上述两种药物疗法也都存在较明显的、不可忽视的副作用。相关研究发现：损伤后肺泡的维持和成功再生，依赖于健康的肺泡2型上皮(AT2)细胞。AT2更新受损已成为肺泡内稳态失调的核心因素，引发病理性上皮重塑，并涉及成纤维细胞的募集和激活，最终导致细胞外基质(ECM)的积累和肺结构的扭曲。
深入研究表明，AT2细胞起“兼性干细胞”的作用，并可通过增殖或诱导定向分化为肺泡1型上皮细胞(AT1)再生受损肺泡。鉴于AT2细胞在IPF进展中的关键作用，维持AT2干细胞的作用以促进再溶化被认为是很有前景的治疗策略研发方向。Nicotinamide adenine dinucleotide(NAD+)，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，是能量代谢的核心因子，研究发现，因调节NAD+合成的若干种酶的下调，IPF组织中存在稳态失衡，进而损伤线粒体，且加速细胞衰老。细胞色素b5还原酶3(CYB5R3)以还原型NAD+(NADH)为底物，参与着多种氧化还原反应，影响脂质代谢、胆固醇生物合成、药物代谢、氧化应激等。
相比于健康肺，IPF肺AT2 CYB5R3 mRNA和蛋白水平的下调，不仅与NAD+/NADH失衡相关的线粒体稳态有关，还涉及TGF-β1信号的异常激活。这表明CYB5R3可能是通过抵抗线粒体损伤引起的细胞加速衰老来恢复上皮干细胞功能。促进AT2-to-AT1细胞转化，以终止病理性上皮重塑和成纤维细胞活化，对肺泡生态位的快速恢复，至关重要。骨形态发生蛋白4(BMP4)，在调节肺泡生态位中发挥多重作用，以牺牲增殖为代价促进AT2-to-AT1分化，同时也通过上皮细胞的信号传导抑制成纤维细胞的活化和基质沉积。
在肺纤维化病理中，上皮BMP4信号的持续抑制促进AT2异常增殖和成纤维细胞基质合成，导致瘢痕形成、肺泡塌陷。因此，适当增加BMP4信号通路，是否能有效维持AT2增殖和分化之间的稳态，进而促进肺泡再生、抑制成纤维细胞的活化？随着基于mRNA的COVID-19疫苗的临床成功，脂质纳米颗粒(LNPs)作为一种成熟的非病毒纳米载体，可用于基因治疗。针对呼吸道上皮的雾化LNPs，可优先在肺部优先积累并适当保留，是基于mRNA的蛋白质替代疗法治疗IPF的理想选择。然而，雾化和肺特异性屏障(如粘膜层、吞噬细胞)诱导的强大剪切力会阻碍吸入mRNA治疗的效果。如何合理开发、优化LNPs，将mRNA有效递送到靶点？仍是科研中待解决的热点课题。
近期相关研究表明，使用肺表面成分作为纳米颗粒表面涂层可通过界面递送改善黏液屏障上的扩散，这被认为是一种穿梭药物的方法，可以更好地靶向肺深部组织并被上皮细胞吸收以进行药物递送。受此启发，来自山东大学药学院姜新义教授团队的一项研究，开发了一种吸入递送mRNA的仿生黏液穿透LNP，在肺纤维化小鼠模型中有效逆转了IPF进展，为IPF的可逆再生治疗开创了新策略。
姜新义教授团队将肺表面活性剂中丰富的DPPC加入常规脂质组分中，制备具有黏液层通透性的肺表面活性剂 - 仿生LNP，在体外筛选、优化过程中，基于γ-氨基丁酸(GABA)可电离脂质制备得到的LNP，具有更高效的肺部mRNA递送和黏液层穿透效率。将优化后的LNPs包封BMP4和CYB5R3 mRNA，同时递送以调节AT2干细胞耗竭和重建肺泡结构。
在肺功能检测与评估相关实验中，姜新义教授团队应用DSI PFT 肺功能检测系统，检测、比对了各肺纤维化小鼠模型的肺功能相关参数变化和差异，发现，通过吸入给药高效递送mRNA-LNPs，可有效且显著缓解肺纤维化症状，并延长IPF小鼠模型的生存期。
小鼠模型数据表明，吸入的mRNA LNPs可有效地积累于肺部组织，并在肺部实现靶蛋白的高表达。反复吸入LNP治疗，可显著缓解小鼠模型的肺功能下降，并延长其生存期。促纤维化因子TGF-β1和IL-1β也得到显著抑制。结合组织病理学分析，LNP治疗可显著减弱博来霉素诱导的肺泡结构塌陷，恢复肺泡再生，并降低若干纤维化标志物的表达和炎症细胞浸润。
本项研究开发的递送策略，在博来霉素诱导的小鼠IPF模型中呈现了优质、可靠的治疗效果，但考虑到单个小鼠模型可能无法更全面地反映临床IPF患者的所有病理特征。期待后续更多研究验证在其它动物模型中的疗效、以及重复吸入的安全性等，让我们拭目以待。原文“Realveolarization with inhalable mucus-penetrating lipid nanoparticles for the treatment of pulmonary fibrosis in mice” 刊登于以专注报导自然科学领域具原创性和突破性的研究成果为特色的国际顶级综合性学术期刊《Science Advances》- 近期影响因子得分：11.7，欢迎参考和借鉴：
在上述研究中，科研团队运用到的PFT肺功能检测系统，主要用于实验动物肺功能研究，是急性肺损伤、COPD等研究的理想工具。
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与人类肺功能检测原理类似，PFT可对麻醉动物进行一系列成组实验，自动检测并实时数据分析，获得相应肺功能生理参数。- 波义耳定律(Boyle’s Law)功能残气量(FRC测试)。
- 准静态肺部容积与肺部压力关系曲线(Pressure-Volume测试)。
- 呼吸流速与肺部容积关系(Flow-Volume测试)。
主要参数：气道阻力RI和动态肺顺应性Cdyn、FRC功能残气量、FVC用力肺活量、FEVx第X秒用力呼气流量、Cchord准静态肺顺应性、TLC肺容积、VC肺活量等。适用种属：小鼠、大鼠、豚鼠、兔、犬、猴或其它大动物。欲了解更多PFT或肺纤维化等相关研究和应用，欢迎随时联系DSI亚太区团队或访问官网：
- https://www.datasci.com/products/buxco-respiratory-products/pulmonary-function-testing
- https://www.datasci.com/solutions/respiratory/lung-fibrosis
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