综述：调控NET-生物材料界面以治疗疾病

《Current Opinion in Biomedical Engineering》：Engineering the NET-biomaterial interface to treat disease

本综述系统探讨了如何通过生物材料策略调控中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）以治疗感染、炎症和癌症。文章重点介绍了三大方向：NET调控材料（如PAD4/NE抑制剂递送）、NET降解材料（如DNase靶向递送）和NET仿生材料，强调了材料理化性质（如尺寸、电荷）对NET-生物材料相互作用的关键影响，为开发靶向NETs的精准药物递送系统提供了重要见解。

　　

引言

中性粒细胞是机体应对感染和炎症的首批响应者之一。当中性粒细胞检测到炎症信号时，会从血管中渗出到达感染部位。在那里，中性粒细胞可以利用其胞内颗粒中的抗菌酶和蛋白酶，通过脱颗粒、吞噬或形成中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）等多种功能来降解病原体。NET的形成是中性粒细胞响应感染时，释放出由带负电荷的解聚染色质嵌入带正电荷的抗菌酶所组成的大型支架结构的过程。由此产生的生物网络旨在诱捕病原体并阻止其扩散，同时提供高局部浓度的抗菌酶。

尽管NETs可以作为重要的感染首响者，但NETosis必须受到精细调控，因为NET的过度产生会引发过度炎症并阻碍有效的病原体清除。过量的NET成分可作为损伤相关分子模式，触发下游炎症细胞因子级联放大，导致宿主组织损伤而感染无法消退，形成恶性循环。在健康的稳态下，NETs和被捕获病原体的清除由内源性核酸酶活性和巨噬细胞吞噬作用驱动。相比之下，NET的过度产生已在多种疾病和病理生理情境中被观察到，包括自身免疫性疾病、癌症和传染病。在癌症中，NETs既能促进肿瘤生长，也能通过捕获远端器官中的循环肿瘤细胞来促进转移灶的形成。

全身性给予免疫抑制疗法或NET降解药物可能存在不良副作用，这凸显了开发靶向NETs的控释制剂的重要性。药物递送平台允许治疗药物的释放动力学可调，并具有靶向和可控递送至特定细胞类型或器官的潜力。

NET调控材料以预防NETosis和炎症

材料的组成、理化设计以及免疫抑制疗法的递送可用于上调或下调中性粒细胞的NET形成。近期研究进展集中在通过递送NET抑制剂来预防NETosis和缓解过度炎症。

肽基精氨酸脱亚胺酶4（PAD4）能催化组蛋白中的精氨酸转化为瓜氨酸，这是触发染色质凝聚并导致NETosis的关键步骤。PAD4抑制剂可以阻止NET形成，并且药物递送策略已被研究用于通过刺激响应型制剂或靶向肽将其局部递送至炎症部位。例如，在缺血性中风小鼠模型中，研究团队设计了包裹不同PAD4抑制剂的脂质体，分别通过纤维蛋白靶向肽或中性粒细胞选择性结合肽实现脑部靶向递送。两种系统都包含了活性氧（ROS）响应触发器，确保在细胞应激和ROS产生升高的区域释放抑制剂。这两种递送方式均显示出在脑中积聚，导致NET形成和炎症水平降低，并减轻了长期神经功能缺损。

另一个NETosis调节因子是中性粒细胞弹性蛋白酶（NE），这是一种抗菌蛋白酶，激活后可易位到细胞核内，诱导染色质解聚，然后NET释放。像西维来司他这样的小分子抑制NE，已被证明可在多项小鼠研究中缓解NETosis。值得注意的是，在感染性休克小鼠模型中，游离药物未能缓解炎症，而脂质纳米颗粒封装后则有效。西维来司他已被研究用于多种递送制剂中，例如ROS响应性脂质体包裹西维来司他，并涂覆中性粒细胞-血小板膜，以模拟中性粒细胞在缺血后进入大脑的行为，从而缓解炎症。

然而，NET形成的分子驱动因素仍在探索中。驱动NET形成的信号通路多种多样，高度依赖于环境刺激。在自身免疫性和感染性疾病中均已观察到PAD4依赖性和非依赖性的NET形成途径。因此，在设计用于预防NETosis的生物材料时，应仔细考虑特定疾病状态下哪些分子通路促进了NET形成，以及如何设计能够靶向并抑制这些通路的纳米材料。

NET降解材料用于NET清除

脱氧核糖核酸酶（DNase，临床称为多娜酶α）是一种 mucolytic 治疗剂，可降解囊性纤维化患者肺部的细胞外DNA。DNase也被广泛研究用于降解多种疾病状态下NETs的DNA组分；然而，其较差的生物利用度和体内滞留时间限制了其转化疗效。通过将DNase封装在药物递送平台中，可以改善其半衰期，从而提高药效和NET降解能力。

研究显示，正电荷和小尺寸是纳米颗粒与NET相互作用的主要驱动因素，这可能是由于增强了与NET纳米纤维小孔的相互穿插。带正电荷的200纳米DNase负载的层层自组装颗粒在体外表现出比更大颗粒更高的NET相互作用率，强调了理化设计对于纳米颗粒药物载体的重要性。

为了改善靶向能力，仿生平台被用来改善颗粒的运输和DNase向特定炎症区域的递送。这包括涂覆中性粒细胞-血小板膜的混合颗粒，用于靶向递送至脊髓；或工程化具有趋化受体的纳米囊泡，以模拟中性粒细胞向肺部炎症部位的迁移。另一种实现局部DNase递送的途径是利用主动靶向策略，使颗粒能够归巢至NETs并递送治疗货物。一些研究使用了NET特异性蛋白靶点，如NE和髓过氧化物酶，通过将蛋白结合肽和底物缀合到纳米颗粒表面。例如，Filipczak等人发现单克隆2C5抗体能识别NETs中完整的核组蛋白复合物，并利用此特性制备了装载DNase的抗体靶向胶束。这些颗粒能够在体外粘附到NETs上并比游离DNase更有效地降解它们。

在癌症背景下，环境响应型释放制剂被设计用于靶向各种小鼠癌症模型中的NET功能障碍。纳米颗粒系统被设计成能够响应肿瘤微环境的独特特性，包括基质金属蛋白酶-9（MMP-9）水平升高和pH值变化，以触发DNase释放，从而减轻肝脏转移灶的形成。外部触发器也可提供局部释放。Chen等人设计了光响应性DNase负载纳米颗粒，在近红外光照射下，可重复刺激以诱导DNase在小鼠肝转移部位释放。

为了改善NET靶向能力，带正电的聚合物颗粒与带负电的NETs之间的静电亲和力已被用于阻断癌细胞相互作用，并减轻小鼠肝脏和肺部的转移灶形成。Wang等人采用了一种替代方法来改善NET靶向以预防癌症转移，他们制造了一种NET靶向颗粒，不直接靶向NET蛋白，而是模拟NET DNA与癌细胞上CCDC25蛋白之间的高度特异性相互作用。装载DNase的脂质体纳米颗粒被工程化带有CCDC25配体以模拟这种相互作用并实现NET靶向。

尽管DNase策略已成功用于NET降解，但考虑其潜在风险很重要。研究表明，用DNase处理NETs可能导致活性NE的释放，这已知会加剧炎症。类似地，经DNase处理的NETs已被证明可诱导肺泡上皮细胞毒性，这部分是由剩余的NET衍生组蛋白、NE和髓过氧化物酶驱动的。因此，研究能同时靶向NETs的DNA组分和灭活颗粒蛋白的药物联合递送可能是有用的。

NET仿生材料以治疗细菌感染

除了在设计调控和降解NETs的系统方面取得显著进展外，研究人员还通过从NETosis过程中汲取灵感，工程化了新型治疗材料。这些材料被设计成具有与NETs相似的特征，例如纳米纤维形态、高表面积、静电捕获能力以及与病原体的多价相互作用。因此，NET仿生材料旨在功能性复制NETs的抗菌和免疫学作用，从而提供一种新的策略来对抗感染和管理感染相关炎症，特别是在NETosis失调的情况下。

多年来，各种研究小组使用不同的方法来制造这些系统，例如使用合成和天然聚合物进行静电纺丝、自组装肽和蛋白质纳米纤维，以及聚电解质复合物。一些研究还利用上述材料创建水凝胶或基于水凝胶的系统来捕获和中和病原体。在一个关键例子中，Tram等人开发了一种合成的β-发夹肽，在存在细菌成分（如LPS和LTA）时会自组装成淀粉样纳米网，作为针对耐药细菌病原体的捕获-杀灭策略。组装的纳米网具有与多粘菌素相当的抗菌活性，并且仅在病原体存在时形成，以减轻脱靶效应。Zhang等人的另一项研究用镁离子聚合Y形DNA形成网状网络，作为合成铜纳米簇的模板。这些纳米簇产生了形态与NETs相似的明确纳米材料，并据报道通过多模式机制具有非常有效的抗菌活性。

总之，NET仿生材料代表了从传统药物递送系统向结合先天免疫原理和生物材料设计的多功能材料开发的进步。通过利用内源性NETs的结构和功能，它们提供了双重优势：靶向抗菌作用和免疫调节。因此，未来的工作应侧重于将这些系统与抗生素、免疫调节剂或伤口敷料结合成联合疗法，这可能有助于加速其临床采用，特别是在传统治疗方案已失败的耐药感染治疗方面。

展望与结论

虽然在阐明NET-生物材料界面方面已经取得了相当大的进展，但仍有许多令人兴奋的途径有待探索。NET的过度产生已在肺、胃肠道和阴道疾病中被观察到，这些疾病发生在粘液的背景下——而粘液是药物递送的一个长期障碍。因此，开发NET-粘液模型并研究颗粒性质如何影响通过粘液屏障与NETs相互作用的扩散非常重要。通过使用NET仿生和NET模拟材料，我们可以了解更多关于NET生物学以及NET与其他生物基质（如生物膜和粘液）相互作用的知识。

总体而言，NETs是复杂的生物材料，可以捕获和降解病原体以防止感染。然而，一旦失调，NETs可能成为危险的过度炎症源，加剧多种疾病。这一领域的进一步创新将允许更深入地理解NETs与微环境的相互作用机制，以及开发更有效的策略来解决炎症和感染问题。通过理解如何利用生物材料来调控、降解或模拟NETs，我们可以开发出更好的药物递送策略，以帮助打破感染和炎症的循环。