工程师设计了一种类似药物的纳米载体，以避开肺部的防线

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院助理教授Liheng Cai的软生物标志物实验室的研究人员表示，一种携带药物的分子旨在通过绕过肺部的自然防御来治愈疾病，为患有慢性或致命呼吸道疾病的人提供了新的希望

蔡和他的团队，包括材料科学与工程博士生黄白强和生物医学工程博士生何志坚，利用实验室自己的“微型人体气道”成功证明了纳米载体的有效性。该设备捕捉了人体气道的几何和生物特征

他们在ACS Nano杂志上发表的一篇论文中描述了他们的发现

潜入我们的防御系统

我们的肺部有多层保护层，可以捕获病原体或吸入颗粒物并将其运出呼吸系统，以防止我们生病。每次你擤鼻涕，系统都在工作

黄说：“不幸的是，同样的障碍也阻止了药物到达靶细胞，使治疗哮喘、慢性阻塞性肺病和肺纤维化等疾病变得困难。”

这种新型聚合物被称为瓶刷聚乙二醇，或PEG-BB。它通过模仿粘蛋白（一种负责粘液特性的天然糖蛋白）在气道壁中快速移动，粘蛋白具有相同的瓶刷形状——一个中心骨架，上面有一丛向外延伸的鬃毛

黄说：“我们认为瓶刷载体的灵活性和蠕虫状几何形状会让它偷偷穿过纤毛周围的紧密粘液和凝胶网，被上皮细胞内化，而上皮细胞需要药物才能发挥作用。”

纤毛是细胞表面的毛发状结构。它们与粘液一起运动，排斥和排出异物

为了验证他们的假设，研究小组在他们的设备中培养了人类气道上皮细胞。他们从两个方向将荧光PEG-BB分子引入细胞

然后，他们使用染料渗透粘液和髂周层——后者是吞噬纤毛的凝胶。他们没有对上皮细胞壁进行染色，这有助于标记上皮细胞的边界

使用专门的显微镜和黑暗的房间来锐化图像，他们能够看到发光的瓶刷分子在细胞中移动得有多好

最近的一系列成功

“微型人体气道基本上是细胞生长的家园，”黄说

蔡补充道：“它的生物学相似性使我们能够研究人类的肺部防御，而不会对生物造成伤害。”蔡的实验室专门开发用于多种用途的新型瓶刷聚合物，其中许多都突破了精准医学的界限

例如，他的生物打印项目最近生产了第一个按需打印器官的3D构建块

PEG-BB的发现代表了实验室一系列成功中的又一项

蔡说：“我们认为这项创新不仅有望更好地治疗肺部疾病，减少副作用，而且为治疗影响全身粘膜表面的疾病开辟了可能性。”

实验室的下一步是测试PEG-BB携带药物分子穿过粘液屏障的能力。该团队正在对小鼠的体外和体内模型进行实验 More information: Zhi-Jian He et al, Bottlebrush Polyethylene Glycol Nanocarriers Translocate across Human Airway Epithelium via Molecular Architecture-Enhanced Endocytosis, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c01983

Journal information: ACS Nano