磁场让内皮细胞“走火入魔”，破解药物递送难题

静脉给药是一种非常重要而有效的给药方式，不过血管内皮的存在导致分子量大于白蛋白（66 kDa）的物质无法渗透出血管。只有当血管内皮的通透性显著增强时，蛋白质、核酸、纳米药物等才能大量穿过内皮进入组织。而大多数疾病状态下，病灶处血管内皮都保持着结构和功能的完整，导致大分子药物难以大量递送至病灶区。因此，克服血管内皮障碍是药物递送要解决的一大难题。

近期，美国佐治亚理工学院和埃默里大学的Wilbur A. Lam教授与莱斯大学的Gang Bao教授等人在Nature Communications 上发表论文，提出了一种新的增强血管内皮渗透性的物理方法。他们先用外磁场调控血管内皮细胞摄取磁性纳米颗粒（MNPs），再用外磁场作用于胞内MNPs，影响内皮钙黏蛋白和F肌动蛋白的相互作用，扰乱血管内皮黏着连接，从而靶向增强特定区域血管内皮的渗透性，最终增强系统给药在特定部位的输送效率。

Wilbur A. Lam教授（左）、Gang Bao教授（右）。图片来源：Georgia Institute of Technology / Rice University

早期研究表明可以利用磁场给胞内MNPs施加外力控制细胞信号通路。而作者在前期研究中发现外加磁场不仅可以增强血管内皮细胞对MNPs的内吞，还能通过磁力调控F-肌动蛋白的动力学和组装结构，而肌动蛋白组装结构的改变可以扰乱粘着链接并增强血管渗透性。因此作者就猜想，是否可以利用磁场通过内皮细胞内的MNPs给细胞施加内力，改变F肌动蛋白，从而增强血管内皮通透性，促进大分子药物输送？

首先，作者用热分解法合成了直径为16 nm和33 nm的磁性氧化铁纳米颗粒，并用磷脂-聚乙二醇进行包载形成亲水的MNPs，同时在包载过程中掺入荧光分子DiI和DiR进行标记分别用于体外、体内荧光成像。他们利用NdFeB磁体产生磁场，计算发现每个MNPs在该磁场内受的磁力大小在1 fN量级。

图1. 氧化铁纳米颗粒的示意图及表征。图片来源：Nat. Commun.

通过将MNPs与内皮细胞一起培养，并用磁场进行处理，他们发现磁场可以显著增强内皮细胞对MNPs的内吞。磁场作用1 h后，内皮细胞内随机分布的F-肌动蛋白纤维沿着磁场方向有序排列。而经计算，这种情况下细胞受力的大小和细胞在血管内皮上受力的大小相当。

图2. 磁力对吞噬MNPs的内皮细胞的影响，改变F-肌动蛋白的排列方式。图片来源：Nat. Commun.

为了模拟体内血管的动态环境，作者制作了一种内皮细胞化的微流体通道。他们将单层的内皮细胞培养在管道的内表面，并使培养基按照生理条件下血液的流速在管道内流动。这种条件下，细胞内的F-肌动蛋白纤维主要富集在细胞-细胞接触面，同时沿着培养基流动的方向排列。

图3. 体外制备内皮细胞化的微流体管道。图片来源：Nat. Commun.

随后，作者研究了流体冲刷状态下磁场对内皮细胞吞噬MNPs的影响及吞噬MNPs后效应的影响。作者发现在步骤1（图4d）的情况下，磁场可以将内皮细胞吞噬的MNPs的量增加2.3倍。而经过步骤1处理之后再按照步骤2（图4e）处理1小时，细胞中的F-肌动蛋白排列被扰乱，沿着流体流动方向的排列减少，同时血管内皮钙粘蛋白排列被扰乱。而在停止磁场作用12小时后，内皮细胞的F-肌动蛋白和血管内皮钙粘蛋白均恢复至处理前的状态，这意味着内皮细胞可以感知剪切力和内部的磁力，并据此动态调节胞内的F-肌动蛋白排列。同时，磁力扰乱内皮细胞钙粘蛋白后可以增强内皮通透性，从而增强大分子蛋白质的穿透性。

图4. 体外磁力对内皮细胞F-肌动蛋白及钙粘蛋白排列的影响。图片来源：Nat. Commun.

随后，为了观察磁力是否可以增强MNPs在小鼠体内血管壁的富集，作者先通过尾静脉给小鼠注射DiR标记的33 nm的MNPs，并将磁体放在对侧的静脉处。近红外荧光成像显示磁场可以增加MNPs在尾静脉血管壁的富集，定量分析显示磁场作用下MNPs在尾静脉血管周围的富集量增加了约10倍，同时MNPs主要分布在内皮上，而不是在组织间隙中。这意味着磁场可以达到磁靶向的作用，增强MNPs在小鼠血管壁上的富集。

图5. 磁场促进MNPs在小鼠体内尾静脉周围富集。图片来源：Nat. Commun.

最后，作者用吲哚花青绿（ICG）研究了磁靶向对血管壁通透性的影响。ICG是一种可以与脂蛋白结合形成大分子荧光染料的近红外荧光染料，而结合脂蛋白的ICG只能穿透通透性增强的血管壁，以此模拟大分子蛋白质药物。作者在小鼠尾静脉注射未标记的MNPs后利用磁体处理尾静脉2小时，然后注射ICG，通过近红外活体成像观察ICG的分布，结果显示ICG在小鼠尾部的信号增强了约2倍，而不加磁场则不会影响ICG的分布，这意味着外磁场不仅可以促进MNPs富集在小鼠尾静脉周围，同时还可以通过MNPs给内皮细胞施加外力，导致内皮细胞间连接紊乱，血管壁通透性增强，促进大分子药物穿过血管。

图6. 磁力增强小鼠血管通透性，促进大分子药物透出血管。图片来源：Nat. Commun.

大分子药物（如抗体、核酸类药物）已经在临床广泛使用，但是对于非肿瘤类不影响血管通透性的疾病而言，大分子药物的输送确是难题。本文巧妙地利用磁靶向作用于细胞内MNPs、可逆地调控血管通透性，从而增强大分子药物的定向输送，着实解决了一大难题。同时，磁场对人体无害，不会因组织而衰减，考虑到MNPs已经在被批准用于临床核磁共振成像造影剂、补铁剂等，本研究提出的方法具有很好的临床应用前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Magnetic forces enable controlled drug delivery by disrupting endothelial cell-cell junctions

Nat. Commun., 2017, 8, 15594, DOI: 10.1038/ncomms15594

（本文由瀚海供稿）