纳米级金属有机框架(MOFs)的多尺度生物相容性及免疫互作谱系研究：从机器学习预测到临床转化验证

这篇开创性研究建立了"安全设计"(Safety-by-Design)多级评估体系，整合机器学习(ML)预测、离体(ex vivo)人外周血单核细胞(PBMCs)实验和靶向体内模型，系统解析了四种临床相关MOFs（NU-901、PCN-222、UiO-66和ZIF-8）的免疫毒性特征。研究发现NU-901通过吡喃衍生物接头选择性杀伤CD14+单核细胞，ZIF-8通过TLRs通路诱导IL-6促炎反应，而UiO-66和PCN-222展现出优异的生物相容性，为MOFs的临床转化提供了重要安全评估范式。

　　

1 引言

纳米医学领域的金属有机框架(MOFs)因其高孔隙率和可修饰表面成为药物递送明星材料，但复杂的免疫系统互作机制阻碍其临床转化。传统体外毒性检测（如MTT法）难以模拟临床环境，而动物模型与人类免疫应答存在显著差异。本研究创新性地构建多尺度评估管道，通过机器学习(ML)初筛、离体人PBMCs验证和体内模型确认的三阶段策略，为NU-901、PCN-222、UiO-66和ZIF-8绘制精准"免疫指纹"。

2 计算机模拟评估

基于35,047种有机分子的毒性数据库，ML模型成功预警NU-901（含吡喃衍生物接头）和ZIF-8（含2-甲基咪唑）的潜在风险。特别值得注意的是，NU-901的H₄TBAPy接头被识别为多环芳烃(PAH)类免疫毒素，而ZIF-8的咪唑组分被预测为TLR-7激动剂。这种计算-实验联动的"安全设计"策略，将新分子实体(NMEs)的研发成本降低约90%。

3 MOF合成与表征

研究团队制备了四种PEG化MOFs：Zr基的NU-901-P（介孔）、PCN-222-P（介孔）、UiO-66-AP（微孔）和Zn基的ZIF-8-AP（微孔）。扫描电镜(SEM)显示粒径46-138nm，动态光散射(DLS)测得其水合直径110-274nm。表面电荷分析揭示UiO-66-AP因染料修饰呈现+32mV电位，而PCN-222-P和NU-901-P分别带-28.2mV和-16.3mV负电荷。

4 外周血单核细胞活力

离体实验揭示惊人发现：NU-901-P在3小时内即导致CD14⁺单核细胞存活率显著下降（p≤0.05），24小时毒性加剧（p≤0.001）。成像流式细胞术显示其通过内吞作用进入溶酶体后，释放的吡喃衍生物引发细胞膜起泡。相比之下，虽UiO-66-AP因正电荷被大量内吞，但未引发明显毒性，印证了接头化学而非内吞量决定毒性的关键结论。

5 免疫激活特征谱

炎症蛋白芯片检测发现ZIF-8-AP特异性诱导IL-6升高3.2倍，这与其咪唑组分激活TLRs通路特性相符。值得注意的是，NU-901-P虽具细胞毒性却未引发显著细胞因子释放，表明其通过直接杀伤而非炎症途径发挥作用。PCN-222-P和UiO-66-AP在所有检测指标中均保持"沉默"，完美契合被动递送载体的设计要求。

6 体内免疫应答

在SKH1无毛小鼠模型中，UiO-66-AP和PCN-222-P仅引起IL-6短暂升高（24小时恢复），组织病理学显示肝脏库普弗细胞轻度激活。电感耦合等离子体(ICP)检测显示PCN-222-P主要富集于肺部（5ppm），14天后各器官Zr含量降至安全阈值。这些数据印证了计算预测的准确性，为两者进入临床前研究扫清障碍。

7 展望

该研究建立的评估框架不仅适用于MOFs，还可拓展至其他纳米药物。特别值得注意的是，ZIF-8的促炎特性虽不适合被动递送，但其TLR激动作用在疫苗佐剂开发中颇具潜力。未来研究将聚焦长期免疫记忆效应和器官特异性清除途径，进一步完善纳米药物的安全评价体系。通过这种分级评估策略，有望将纳米药物的临床转化成功率从11%提升至50%以上。