加州大学圣地亚哥分校 张良方 Adv. Mater.: 用于体内氧气递送的仿生纳米乳液

【引言】

自二十世纪初开发出血液分型和储存方法以来，输血已成为现代医学的重要组成部分。对于遭受急性创伤或进行外科手术的患者，输血是挽救生命的重要措施。必要的输血可以帮助患者维持体内氧气水平，主要由于血液制品中的红细胞（RBC）能够及时补给体内氧气递送能力。然而目前，血库中的红细胞制品，特别是来自稀有供体类型的红细胞，是在标准储存条件下具有有限保质期的宝贵资源，由于供应短缺而不得不延缓后续治疗从而导致病情延误的情况时常发生。虽然提高血液利用率和改善供应链管理可以帮助减少相关短缺，但是仅靠这些方法并不能从源头完全解决红细胞短缺问题。全球对于红细胞制品的持续性大量需求预计将对可用医疗资源和基础医疗设施造成重大压力。不幸的是，目前在开发输血用人红细胞的可行替代品上的努力不是很顺利。

【成果简介】

近日，加州大学圣地亚哥分校的张良方教授（通讯作者）等报道了一种仿生纳米氧气递送技术，它结合了天然红细胞膜的良好生物相容性和全氟碳化合物内核的高携氧能力。所得制剂可以长期储存并表现出极高的氧气递送能力，可以显著减轻缺氧带来的负面影响。在失血性休克的动物模型中，该纳米乳液制剂具有与小鼠全血相当的氧气递送能力。同时，相较于未包覆的全氟碳乳液，该制剂具有更低的免疫原性与更为优异的生物相容性。通过合理利用其各组分的有利特性，该仿生氧气递送系统具有解决临床中关键问题诉求的潜力。研究成果以题为“Biomimetic Nanoemulsions for Oxygen Delivery In Vivo”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、RBC-PFC的制备
（a） RBC-PFC输送氧气和向缺氧组织释放氧气的示意图；

（b） 在各种PFC与RBC核膜比率下RBC-PFC的粒径；

（c） 各种乳化时间条件下RBC-PFC的粒径；

（d） RBC囊泡，与RBC囊泡混合的PFC乳液，以及RBC-PFC在600×g离心后图像；RBC膜用DiD（蓝色）标记；

（e） 双标记RBC-PFC的共聚焦荧光成像；PFC核用BODIPY（绿色）标记，RBC膜用DiD（红色）标记。

图二、RBC-PFC的表征
（a） RBC囊泡、PFC乳液和RBC-PFC的粒径；

（b） RBC囊泡、PFC乳液和RBC-PFC的Zeta电位；

（c）¹⁹F NMR定量1-溴全氟辛烷（左）的包覆率，全氟-1，5-冠-5-醚（右）被用作内标；相应氟原子被着色为蓝色；

（d） PFC乳液和RBC-PFC在96 d内的稳定性评价；

（e） 将含氧水、RBC囊泡、PFC乳液、RBC-PFC、或天然RBC添加到脱氧水后的溶解氧动力学测定；

（f） 未过期RBC制得的RBC-PFC，过期RBC制得的RBC-PFC，以及在室温（RT）或4^oC下储存1周后的RBC-PFC的溶解氧动力学测定。

图三、RBC-PFC的体外氧气递送
（a） 与不同浓度的RBC-PFC孵育24 h后Neuro2a细胞的存活率；

（b） 与PFC乳液或RBC-PFC孵育24 h后J774巨噬细胞产生的炎症因子IL-1 α的水平；

（c） 不同时间长度缺氧诱导后加入不同浓度的RBC-PFC并孵育24 h后Neuro2a细胞的存活率；

（d） Western blot检测Neuro2a细胞中缺氧因子HIF-1的表达，分别为未加入RBC-PFC缺氧状态、18 h缺氧诱导后加入RBC-PFC、以及常氧状态；

（e, g）未加入RBC-PFC缺氧状态、0 h（e）或18 h（g）缺氧诱导后加入RBC-PFC、以及常氧状态下Neuro2a细胞的亮场显微镜检查;

（f, h）未加入RBC-PFC缺氧状态、0 h（f）或18 h（h）缺氧诱导后加入RBC-PFC、以及常氧状态下Neuro2a细胞的荧光显微镜检查；细胞用Image-iT Green缺氧试剂（绿色）标记

图四、RBC-PFC体内氧气递送及生物安全性
（a） 出血性休克模型下小鼠的平均动脉压（MAP）曲线，输入制剂分别为林格氏乳酸盐（RL）、RBC囊泡、PFC乳液、RBC-PFC、小鼠全血；

（b） 每组MAP最终稳定值；

（c） DiD标记的RBC-PFC在给药后不同时间在主要器官（包括肝，脾、心、肺、肾、血液）中的生物分布；

（d） 静脉内施用等渗蔗糖、PFC乳液或RBC-PFC后，随时间推移的炎症因子IL-1 α水平；

（e） 静脉注射等渗蔗糖或RBC-PFC24 h后全血综合代谢检查；

（f） 静脉注射等渗蔗糖或RBC-PFC24 h后全血细胞计数；

（g） 静脉注射RBC-PFC24 h后主要器官组织切片的H&E染色。

【小结】

该研究成功制备了由RBC膜包覆PFC乳液的仿生氧气递送系统。所得纳米制剂RBC-PFC显示出不随时间变化的高度结构稳定性，并且具有与天然RBC相似的强大携氧能力。值得注意的是，RBC-PFC制剂能够在体外细胞实验中显著减轻缺氧条件带来的负面影响，并能够在出血性休克模型中完全复苏小鼠。该平台结合了两个组分的优点：将化学合成PFC的高载氧能力与天然RBC细胞膜的高生物相容性良好结合。RBC-PFC的制备是将天然RBC转化为稳定的半合成纳米乳液的简便方法，可以在将来用作延长易变质人类血液制品的有效储存方法。RBC-PFC可以在库存过剩时由过期的RBC合成，并可以长期保存，以便在高需求期间使用，可以大大简化血液供应管理后勤。作为有效的氧气载体，该仿生纳米乳液系统最终可以帮助解决目前临床中广泛存在的患体缺氧的重大问题。

文献链接：Biomimetic Nanoemulsions for Oxygen Delivery In Vivo（Adv. Mater.,2018, DOI: 10.1002/adma.201804693）

本文由材料人生物材料组、纳米组小胖纸编译。

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