急性呼吸衰竭可导致严重的低氧血症，几分钟内就可能导致器官损伤或死亡。当常规干预措施无效时，静脉注射氧气可以挽救严重低氧血症的患者，但存在微血管阻塞和载体材料毒性的风险。
来自美国波士顿儿童医院的Yifeng Peng等团队开发了一种聚合物微气泡作为高容量氧气（每升泡沫含350–500毫升氧气）的载体，它在储存介质中十分稳定，但在静脉注射后可迅速溶解，转化为可溶和可排泄的分子。在因急性和暂时性（12分钟）上呼吸道阻塞而导致严重低氧血症的猪中，微气泡介导的氧气输送维持了较高的氧合水平，减少了心脏骤停的负担，提高了生存率，并显著改善了存活动物的神经和肾功能。本文的发现强调了保持关键氧合阈值的重要性，以及注射用氧气作为急性和暂时性低氧血症危机中的可行疗法的前景。相关工作以题为“Systemically injected oxygen within rapidly dissolving microbubbles improves the outcomes of severe hypoxaemia in swine”的文章发表在2024年10月17日的期刊《Nature Biomedical Engineering》。
【运载气体容器设计】
本文开发了一种广泛适用的pH诱导界面交联方法，使用低分子量和水溶性聚合物在水溶液中创建稳定的、响应pH的微泡（PMBs），而无需使用有机共溶剂。在血液pH下，PMB壳层恢复到其分子溶解成分（图1a），这是美国食品和药物管理局（FDA）认可的策略，以最小化可注射纳米材料的安全性风险。为了演示这种方法，本文首先选择了一种低分子量的葡聚糖（6kDa）作为起始材料，并优化了其化学修饰，引入乙酰基和羧基基团（LmD），以创建一个在生理pH下可溶但在酸性环境中不溶的响应pH的两亲性物质（图1a）。为制备PMBs，将LmD聚合物溶解在调整过pH值的葡萄糖溶液中（pH 6.5），并在空气-水（a/w）界面上均质化，同时用稀盐酸缓慢酸化混合物（目标pH约3.5）。均质化过程创造了气泡模板，由于其两亲性质，气泡模板促进了LmD在a/w界面上的吸收，同时通过酸诱导的羧基质子化使LmD交联。这个过程导致在气体核心周围形成了一个薄壳（<50nm）的微泡（图1b）。界面交联由分子间氢键和其他范德华相互作用驱动。聚合物壳中的羧酸基团C=O的红外吸收光谱（图1c）显示，它们大多数处于结合状态（1,727 cm−1, 1,734 cm−1），以及一小部分未结合状态（1,740 cm−1）。PMBs的产量随着葡萄糖浓度的增加显著提高（图1d），这可能是因为葡萄糖促进了聚合物在较低pH下的聚集和在a/w界面处更大的密度。PMB壳表现出类似水凝胶的性质，并与周围液体保持渗透平衡；用纯水洗去在30%葡萄糖溶液中制造的PMBs会导致壳膨胀和水分流入，替换气体核心（图1e）；然而，用30%葡萄糖无菌制造的PMBs可以在10%葡萄糖（D10）的标准临床IV液中洗涤和储存。通过改变均质化速度来优化泡沫的填充密度，得到最佳的气体分数为62±2%（体积气体/体积泡沫）和平均颗粒直径约为5μm（图1f,g）。与之前描述的聚合物微粒类似，PMBs的薄壳高度透气，因而允许充满空气的PMBs（aPMBs）通过被动置换头部空间氧气轻松转换为充满氧气的PMBs（oPMBs）。oPMBs可以在室温下密封容器中储存，并且能稳定数月（图1h）。本文通过在不同温度下进行加速稳定性测试评估了oPMBs的长期稳定性。储存在玻璃注射器中的oPMBs在高达45℃的温度下可以稳定长达30天，并且泡沫体积或大小分布没有变化，而在60℃时观察到oPMBs的损失。基于这些结果，本文预计oPMBs在室温下的保质期至少为6个月，在冷藏条件下至少为1年。
图1 LmD PMB气体载体的设计和制造用于IVO2治疗
【体外溶解磷脂酰胆碱白蛋白复合体】
静脉注射气体需要快速溶解气体载体以避免血管阻塞，因此，载体材料必须是生物相容的并且能够迅速被清除。如前所述，LmD聚合物本身由于存在羧酸基团（pKa ~ 4.8），在溶液中表现出pH响应行为，并且在pH值高于5时分子可溶（见图2a）。在本研究中，注射后PMBs的溶解机制依赖于基于pH的羧酸基团去质子化，这增加了组成外壳的聚合物的溶解性和水合作用。这导致水分进入外壳，增加表面张力并破坏气核的稳定性，从而促进其溶解。去质子化的外壳同时转化为小而可溶的成分。值得注意的是，与需要气体浓度梯度（即，下沉）才能溶解的脂质包覆气泡不同，PMBs即使在没有下沉的情况下也能在生理pH值下数秒内溶解。为检验PMB外壳是否完全溶解并转化为可溶的LmD成分，本文将PMBs加入到不同pH值的磷酸盐缓冲盐水溶液（PBS）中并在搅拌下观察，通过动态光散射（DLS）测量混合后2分钟的尺寸（由于仪器采样限制，更早的时间点未获得）。在pH值从9.0到5.0之间，PMB外壳在2分钟内全部完全溶解，转化为与从固态制备的LmD溶液中相似的可溶性聚合物（见图2a）。溶解后的LmD聚合物的平均流体动力学半径小于10纳米，估算的分子量约为12千道尔顿，远低于肾小球滤过的分子量截止值（30-45千道尔顿）。相比之下，之前IFNP MBs的溶解，这些由较高分子量（约60千道尔顿）的疏水性聚合物组成，从而形成大而不溶的纳米颗粒（超过100纳米），因此随着时间的推移会明显沉淀。
图2 LmD PMBs在生理pH值下迅速溶解
【PMBs对急性血流动力学的影响】
之前的可注射气体载体由于没有触发溶解机制，导致注入后气泡持续存在，从而引起肺血管阻塞（图3a,b）。任何静脉注射的液体都会立即从注射部位到达右心房和右心室，然后被喷射到肺循环中，再返回左心进入动脉系统。肺毛细血管是最小的血管，因此最容易被堵塞；如果颗粒物质或来自气体载体的气体栓塞阻塞了肺毛细血管，肺血管阻力（PVR）会增加。为了在这个模型中引发血管阻塞，本文使用了充满空气的aPMBs而不是oPMBs，因为氧气逸出的驱动梯度超过了氮气，这是由于静脉系统中高浓度的脱氧血红蛋白所致。在基线期之后，测试组的大鼠（n = 4，体重503±52g）每3分钟接受5次重复注射，每次注射5ml 50%体积气体/体积泡沫（约每次注射2.5ml气体），总共12.5ml的空气，随后观察60分钟。对照组（n = 5，518±40g）接受了等量的D10。注射的气体含量约为1.7ml kg−1 min−1，相当于人类基础耗氧量的50-100%38。在两组中（图3c,d），注射期间相对于基线，PVR都有所下降，且两组之间没有差异（PMB为−64.5±40.1mmHg ml−1 kg−1 min−1，对照组为−45.2±27.2mmHg ml−1 kg−1 min−1，P = 0.41），这可能代表了两组中的前负荷可增加的搏功和心脏指数的增加。相应地，注射期间两组的平均动脉血压（MABP）也相似地增加（图3e,f）（PMB为基线上方53.0±20.6%，对照组为基线上方57.6±21.7%，P = 0.69）。总的来说，这种急性血流动力学特征表明，连续快速注射PMBs后没有出现肺阻塞，这与快速注射LOMs和由聚(乳酸-共-乙醇酸)构成的气体载体的情况截然不同。
图3 LmD PMBs的pH触发快速溶解机制避免了血管阻塞和血流动力学不稳定
【PMBs在猪缺氧性心脏骤停中的有效性】
在证明了PMBs的急性安全性之后，本文评估了它们在临床现实的极端低氧血症呼吸衰竭和心搏骤停模型中的效果（见图4a）。简而言之，约克夏猪被麻醉并进行了仪器化处理，包括气管插管和动脉及静脉导管的置入。在IV镇静和神经肌肉阻滞下观察一段时间并呼吸21%氧气后，猪经历了12分钟的窒息/缺氧。发生心脏骤停的动物（定义为收缩压<40 mmHg持续5秒或更长）接受了高质量的胸外按压心肺复苏和根据当前标准的节奏导向复苏干预措施，包括药物和除颤。在损伤的第6、8和10分钟，猪随机接受IVO2（总共400毫升的35%体积分数O2/体积分数泡沫oPMBs，含约140毫升氧气，n = 8）或等体积的充氧D10（n = 10）。鉴于本实验基线期间测得的平均静息耗氧量（VO2）为73.2毫升每分钟，这一体积代表了在窒息最后6分钟内提供约30%的静息耗氧量。
图4 通过LmD oPMBs进行的IVO2改善了严重低氧血症呼吸衰竭猪模型中的存活率和有意义的结果
【安全性研究】
使用oPMBs治疗猪表现出良好的耐受性，动物没有表现出任何不良反应的临床迹象。为了研究PMB成分的生物分布和药代动力学，本文在健康啮齿类动物中注射了89Zr标记的LmD聚合物后进行了为期7天的正电子发射断层扫描与计算机断层扫描（PET/CT）成像。在单次尾静脉注射后（400 mg kg−1，相当于猪研究中的等效剂量），绝大多数LmD聚合物在24小时内通过尿液排出，其余部分经过肝脏清除（图5a–d）。到第7天时，低水平的LmD在脾脏（5.9±1.5% 注射剂量每克）、肝脏（2.7±0.7%）和肾脏（1.9±0.5%）中发现。根据经验计算，超过75%的注射聚合物已被清除，其余大部分在肠腔内可视化（即处于被排出的过程中）（图5e）。这些结果支持了本文的设计假设，即使用低分子量和更亲水的聚合物可以极大地促进清除。
图5 LmD PMBs在啮齿动物中的生物分布和安全性研究
【总结与展望】
在未来的工作中，PMBs的分子优化可能会进一步加速注射后壳成分的代谢，这可能会减少一些动物在安全性研究中脾脏巨噬细胞空泡化的情况，。当前方法的一个重要特点是：聚合物成分的分子结构可以进行调节（例如，通过降低分子量、增强亲水性或引入酶降解性），以进一步提高药物的安全性并尽量减少潜在的长期副作用。此外，PMBs可以通过静脉和其他途径（例如，肠内）输送各种医用气体，如用于癌症治疗的氧气输送、神经保护剂输送（例如，氢气），或超声和MRI对比剂气体的输送。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41551-024-01266-8
