用于肺部递送姜黄素/尼达尼布以治疗肺纤维化的壳聚糖纳米颗粒

《International Journal of Nanomedicine》：Chitosan Nanoparticles for Pulmonary Delivery of Curcumin/Nintedanib to Treat Pulmonary Fibrosis

特发性肺纤维化（IPF）是一种高死亡率慢性肺部疾病，现有口服疗法因生物利用度低受限。本研究通过壳聚糖纳米颗粒递送姜黄素（Cur）和尼群地平（NDNB），优化制剂工艺并评估疗效。体外实验显示纳米颗粒稳定性好、低毒性，对HFL1细胞具有显著抗纤维化活性。体内实验证实吸入纳米颗粒组肺功能改善最显著（呼吸频率、潮气量等参数），肺系数降低幅度最大（P<0.0001），TGF-β1、IL-6等炎症因子和羟脯氨酸水平显著下降，Masson染色显示胶原沉积减少，病理损伤修复优于口服及吸入游离药物组。纳米颗粒通过肺靶向递送和缓释效应，有效提升药物生物利用度并抑制纤维化进程。

　　### 肺纤维化治疗的创新探索：壳聚糖纳米颗粒的开发与应用

肺纤维化是一种以肺部组织逐渐被纤维组织替代为特征的慢性进行性疾病，其最终可能导致严重的呼吸功能障碍甚至死亡。该病的病理过程复杂，涉及多种细胞类型和信号通路的异常反应，其中以肺泡上皮细胞和成纤维细胞的功能失调为核心。在众多肺纤维化类型中，特发性肺纤维化（Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF）是最常见的一种，尤其在老年人群中发病率较高，且其预后通常较差，患者的中位生存期仅为3至5年。由于其病因尚未完全明确，因此治疗策略仍面临诸多挑战。

当前，IPF的主要治疗手段包括药物治疗、氧气疗法和肺移植。尽管这些方法在一定程度上能够缓解症状或延缓疾病进展，但它们均存在局限性。例如，氧气疗法只能暂时改善患者的缺氧状况，而肺移植则仅适用于病情晚期的患者，且手术风险较高。药物治疗方面，虽然吡非尼酮和尼达尼布（Nintedanib, NDNB）已被批准用于IPF的治疗，但它们的口服生物利用度较低，限制了其临床疗效。此外，尼达尼布还可能引发显著的不良反应，进一步影响患者的治疗依从性。

与此同时，姜黄素（Curcumin, Cur）作为一种天然植物提取物，因其抗炎、抗纤维化、抗氧化和抗癌等多种生物活性，被广泛研究用于肺纤维化的治疗。然而，其口服生物利用度同样受限，主要原因是其极低的溶解度和易被肝脏代谢。此外，姜黄素在中性和碱性环境下容易发生化学降解，且在酸性条件下易结晶，这进一步降低了其在体内的稳定性。因此，尽管姜黄素在体外和动物模型中显示出良好的抗纤维化潜力，但其在临床应用中的效果仍需通过更高效的药物输送系统加以提升。

鉴于上述挑战，本研究聚焦于开发一种基于壳聚糖（Chitosan, CS）的纳米药物输送系统，旨在通过肺部吸入途径提高药物在肺组织中的浓度，从而增强其抗纤维化效果。壳聚糖作为一种天然的阳离子多糖，因其良好的生物相容性、生物可降解性、低毒性和粘附性，成为药物输送系统中的理想载体材料。其分子表面富含氨基基团，能够与肺部粘液中的负电荷成分发生静电相互作用，从而增强药物在肺部的滞留时间。此外，壳聚糖还能够通过调整配方比例和制备工艺，实现对药物的高效包裹和释放控制。

在本研究中，研究人员通过优化制备工艺，分别制备了两种类型的壳聚糖纳米颗粒：一种是负载姜黄素的壳聚糖-维生素E琥珀酸（VES）纳米颗粒（Cur/CS-VES NPs），另一种是负载尼达尼布的壳聚糖-γ-聚谷氨酸（PGA）纳米颗粒（NDNB/CS-PGA NPs）。在制备过程中，研究人员系统地调整了壳聚糖与药物的比例、搅拌速度、搅拌时间和超声波处理条件，以获得最佳的纳米颗粒性能。实验结果表明，Cur/CS-VES NPs在壳聚糖与VES的质量比为1:0.7时，能够实现较高的药物包裹效率（60.1±2.9%）和载药量（11.7±0.5%），同时保持较低的粒径（307.4±7.5 nm）和较窄的粒径分布（PDI为0.233±0.068）。而NDNB/CS-PGA NPs则在壳聚糖与PGA的质量比为1:0.4和壳聚糖与NDNB的质量比为1:0.5时，达到了最佳的包裹效率（67.03±0.45%）和载药量（19.70±0.14%），同时其粒径为223.3±2.5 nm，具有良好的稳定性和分散性。

为了验证这些纳米颗粒的生物相容性和抗纤维化效果，研究人员在体外使用Calu-3肺泡上皮细胞和HFL1成纤维细胞进行了实验。结果显示，无论是纯药物还是负载药物的纳米颗粒，其对细胞的毒性均较低，且在不同浓度下均能保持较高的细胞存活率。此外，负载药物的纳米颗粒表现出更低的半数抑制浓度（IC50），说明其在细胞水平上具有更好的抗纤维化活性。例如，Cur/CS-VES NPs的IC50为14.89 μg/mL，而纯姜黄素的IC50为23.86 μg/mL；NDNB/CS-PGA NPs的IC50为12.53 μg/mL，而纯NDNB的IC50为17.84 μg/mL。这些结果表明，壳聚糖纳米颗粒能够有效提高药物的生物活性，同时减少其对正常细胞的毒性。

在体内实验中，研究人员使用了由博来霉素（Bleomycin, BLM）诱导的肺纤维化大鼠模型，以评估纳米颗粒的治疗效果。通过吸入给药方式，研究人员发现Cur/CS-VES NPs和NDNB/CS-PGA NPs在改善肺功能方面表现出显著优势。具体而言，吸入纳米颗粒的治疗组在呼吸频率、吸气时间、呼气时间、潮气量、峰值吸气流速（PIF）、峰值呼气流速（PEF）以及中位呼气潮气流速（EF50）等肺功能指标上均优于口服药物组和单纯吸入药物组。这表明，通过纳米颗粒载体实现的肺部靶向给药，能够显著提高药物在肺组织中的浓度，从而更有效地发挥其治疗作用。

肺系数作为评估肺纤维化严重程度的重要指标，也在实验中得到了验证。结果显示，模型组大鼠的肺系数显著升高，而吸入纳米颗粒的治疗组肺系数下降幅度最大，表明纳米颗粒能够有效缓解肺部纤维化。此外，研究还检测了肺组织中的生物标志物，包括转化生长因子-β1（TGF-β1）、白细胞介素-6（IL-6）、羟脯氨酸（Hyp）和超氧化物歧化酶（SOD）。这些指标的变化反映了肺纤维化过程中炎症反应、氧化应激和纤维化程度的变化。结果显示，吸入纳米颗粒的治疗组在降低TGF-β1和IL-6水平、减少Hyp含量以及提高SOD活性方面均优于其他治疗方式。这些变化进一步验证了纳米颗粒在抑制肺纤维化进程中的有效性。

在组织病理学分析方面，H&E染色和Masson三色染色结果显示，吸入纳米颗粒的治疗组肺组织结构恢复程度最佳。H&E染色显示，模型组肺组织出现明显的结构破坏，如肺泡壁增厚、肺泡腔扩张以及炎症细胞浸润。而吸入纳米颗粒的治疗组则表现出更接近正常组织的结构特征，肺泡壁变薄、炎症细胞减少以及红细胞浸润显著减轻。Masson三色染色进一步揭示了纳米颗粒在减少肺部胶原沉积方面的显著效果，表明其在抑制纤维化过程中的重要作用。

通过这些实验，研究人员发现，与传统的口服或吸入给药方式相比，壳聚糖纳米颗粒能够显著提高药物在肺部的生物利用度，从而增强其治疗效果。此外，纳米颗粒的制备过程具有良好的可重复性和可控性，为未来的临床转化提供了坚实的基础。本研究不仅为肺纤维化的治疗提供了新的思路，也为其他难溶性药物的肺部输送系统开发提供了参考。

### 纳米颗粒的稳定性与药物释放特性

在药物释放实验中，研究人员使用透析袋对Cur/CS-VES NPs和NDNB/CS-PGA NPs进行了体外释放测试。结果显示，纳米颗粒的药物释放速率显著低于纯药物，表明其能够实现缓释效果。这一特性对于慢性疾病如肺纤维化的治疗尤为重要，因为它可以延长药物在肺部的滞留时间，提高其在靶部位的浓度，从而增强治疗效果。此外，纳米颗粒在4°C条件下储存15天后，其粒径变化较小，表明其具有良好的稳定性。这种稳定性不仅有利于药物的长期储存，也为其在临床中的实际应用提供了保障。

在药物释放动力学分析中，研究人员发现，Cur/CS-VES NPs和NDNB/CS-PGA NPs均表现出相似的释放模式，即药物在体外释放过程中呈现缓慢且持续的释放趋势。这种释放行为有助于维持药物在肺部的恒定浓度，减少因药物浓度波动而带来的治疗效果不稳定问题。此外，纳米颗粒的粒径和电位分析进一步证实了其在肺部的粘附性和稳定性。Cur/CS-VES NPs的粒径为314.0 nm，电位为+36.6 mV；而NDNB/CS-PGA NPs的粒径为267.9 nm，电位为+39.6 mV。这些参数表明，纳米颗粒能够在肺部有效滞留，并与肺组织发生相互作用，从而提高药物的局部浓度。

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，研究人员进一步验证了纳米颗粒的药物包裹特性。结果显示，在纯药物和纳米颗粒的混合物中，药物的特征吸收峰并未发生明显变化，表明其在纳米颗粒中并未发生化学反应。然而，在Cur/CS-VES NPs和NDNB/CS-PGA NPs中，药物的特征峰被掩盖或减弱，而壳聚糖和载体的特征峰仍然存在，说明药物已被成功包裹。这一结果不仅证实了纳米颗粒的结构稳定性，也表明其能够有效保护药物免受体内环境的影响，提高其生物利用度。

### 药物输送系统的生物相容性与安全性

在评估纳米颗粒的生物相容性时，研究人员使用MTT法对Calu-3和HFL1细胞进行了毒性测试。结果显示，所有测试组的细胞存活率均高于80%，表明这些纳米颗粒对细胞具有良好的安全性。此外，纳米颗粒的IC50值均高于纯药物，进一步证明其在细胞水平上具有较低的毒性。例如，Cur/CS-VES NPs的IC50为31.64 μg/mL，而纯姜黄素的IC50为25.44 μg/mL；NDNB/CS-PGA NPs的IC50为48.75 μg/mL，而纯NDNB的IC50为35.00 μg/mL。这些结果表明，通过纳米颗粒载体输送的药物在体内具有更好的安全性和耐受性。

除了细胞毒性测试，研究人员还通过动物实验评估了纳米颗粒对肺部组织的潜在影响。实验结果显示，吸入纳米颗粒的治疗组大鼠在治疗后体重增加趋势明显，而模型组和口服药物组则表现出体重下降。这表明，纳米颗粒不仅能够改善肺部纤维化，还可能对整体健康状况产生积极影响。此外，治疗组大鼠的肺系数显著降低，进一步支持了纳米颗粒在减轻肺部病理改变方面的有效性。

### 未来展望与研究意义

本研究通过开发基于壳聚糖的纳米药物输送系统，成功解决了姜黄素和尼达尼布在肺部治疗中的生物利用度问题。实验结果表明，这两种药物在纳米颗粒载体中的包裹不仅提高了其在肺部的浓度，还增强了其抗纤维化效果。此外，纳米颗粒的稳定性和缓释特性使其在长期治疗中具有更好的应用前景。

尽管本研究已经取得了令人鼓舞的成果，但其在临床转化方面仍需进一步探索。例如，如何提高纳米颗粒的肺部靶向性、如何优化其在人体内的释放机制、以及如何评估其长期安全性等问题仍需深入研究。此外，壳聚糖纳米颗粒的制备工艺需要进一步优化，以确保其在大规模生产中的可行性。同时，考虑到不同患者对药物的反应可能存在差异，研究者还需要探索个体化治疗方案的可能性。

总的来说，基于壳聚糖的纳米药物输送系统为肺纤维化的治疗提供了一种新的策略。通过将姜黄素和尼达尼布负载于壳聚糖纳米颗粒中，研究人员不仅提高了药物的生物利用度，还增强了其抗纤维化效果。这些成果为未来肺纤维化治疗药物的开发提供了重要的参考，并可能为其他慢性肺部疾病的治疗带来新的希望。