《International Journal of Pharmaceutics》：A novel biomimetic and redox-responsive hybrid lipid polymer nanoparticle for targeting sepsis microenvironment and modulating inflammation
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本研究开发了一种生物模拟且氧化还原响应的杂交脂质-聚合物纳米载体（SC-HLPN），通过靶向ADAM10受体和抑制NLRP3炎症小体活化，实现万古霉素在脓毒症微环境中的可控释放，显著降低IL-1β、IL-18和IL-6水平，并在小鼠模型中表现出88.3%的细菌清除率。
阿卜杜勒拉赫曼·塔格丁（Abdelrahman Tageldin）| 穆罕默德·A·加法尔（Mohammed A. Gafar）| 埃曼·A·伊斯梅尔（Eman A. Ismail）| 文森特·O·尼亚多罗（Vincent O. Nyandoro）| 加齐·埃拉明（Ghazi Elamin）| 邦加尼·B·恩坎布勒（Bongani B. Nkambule）| 林达·A·贝斯特（Linda A. Bester）| 乌斯里·H·易卜拉欣（Usri H. Ibrahim）| 蒂鲁马拉·戈文德（Thirumala Govender）| 卡尔文·A·奥莫洛（Calvin A. Omolo）
学科：药物科学，夸祖鲁-纳塔尔大学健康科学学院，南非德班，邮政信箱X54001
摘要
细菌性败血症是一种由感染引发的免疫反应失调所导致的危及生命的综合征。尽管治疗策略有所进展，但它仍然是全球主要的死亡原因之一。本研究开发了一种具有氧化还原响应性的仿生混合脂质-聚合物纳米载体（SC-HLPN），该载体结合了一种新型硬脂酸-半胱胺-绿原酸（S-ss-CG）衍生物与聚乙烯亚胺（PEI），以靶向ADAM10受体及其相关的炎症通路（NLRP3炎性小体激活）。这种设计使得纳米载体能够结合ADAM10，清除其天然底物α-溶血素（A-H），并通过减少条件触发的二硫键断裂，在败血症微环境中选择性释放抗生素，从而释放万古霉素（VCM）。S-ss-CG衍生物通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、1H核磁共振（NMR）和液相色谱-质谱（LC/MS）进行了合成和表征。其与ADAM10和A-H的相互作用在计算机模拟（in silico）中得到验证，结合亲和力分别为?53.55 kcal/mol和?36.29 kcal/mol，并通过微尺度热泳（MST）在体外（in vitro）得到验证，解离常数分别为16.766 μM（ADAM10）和1.8661 μM（A-H）。优化的SC-HLPN表现出良好的理化性质、高生物相容性和稳定性。在还原条件下，由于二硫键断裂，颗粒大小增加，从而加速了VCM的释放，在48小时内即可完全释放，而在生理条件下则需要72小时。此外，SC-HLPN在体外表现出更强的抗菌活性，最低抑菌浓度更低，杀菌动力学更快。它还表现出强大的抗氧化能力，能够保护细胞免受细胞内活性氧（ROS）的损伤，并在LPS诱导的细胞中发挥强烈的抗炎作用。在小鼠MRSA败血症模型中，SC-HLPN实现了88.3%的细菌清除率，显著降低了IL-1β、IL-18和IL-6的水平，分别降低了3.7倍、2.8倍和1.8倍，并减轻了器官损伤。这些结果凸显了S-ss-CG作为靶向和高效抗生素递送平台在治疗败血症方面的潜力。
引言
细菌性败血症是一种严重的、可能危及生命的疾病，由感染引发的免疫反应失调引起（Nandi等人，2024年；Schlapbach等人，2020年）。根据世界卫生组织（WHO）的最新数据，败血症是全球死亡和发病率的主要原因之一（Schlapbach等人，2020年）。2017年，估计全球约有4900万人死于败血症，主要影响新生儿、孕妇以及低收入和中等收入国家的居民（Schlapbach等人，2020年；Cassini等人，2020年）。此外，抗菌素耐药性的出现和新抗菌药物的开发不足加剧了与败血症相关的发病率和死亡率（WHO，2022年）。因此，WHO将败血症和抗菌素耐药性列为优先关注领域。
现有的败血症管理方法主要集中在快速静脉注射强效抗生素以抑制感染，同时使用多种抗炎剂、抗氧化剂和免疫调节剂来减轻炎症反应。此外，针对关键器官和生理系统的支持性护理也是必不可少的（Pant等人，2021年；Zhao等人，2021年）。然而，现有的败血症药物剂型存在显著缺点，这些缺点削弱了它们的治疗效果。这些问题包括药物的非特异性分布和定位，导致不良副作用、感染部位的药物浓度不足、由于药物快速清除而需要频繁给药，以及抗菌素耐药性的出现（Alam等人，2018年；Nazli等人，2022年）。为了解决这些问题，开发一种能够在感染部位实现靶向和响应性药物释放的新药物递送系统对于改善败血症的管理至关重要。
纳米技术的进步为包括细菌感染和败血症在内的多种疾病的治疗带来了更好的结果（Pant等人，2021年）。具有最佳理化性质的纳米载体克服了传统剂型的局限性，例如促进药物在感染部位的选择性积累、提高疏水性药物的溶解度并延长循环时间（De等人，2022年；Elhassan等人，2024年）。然而，在其递送过程中仍存在挑战，包括目标定位不佳、药物释放不精确以及在特定目标部位的释放不足，这需要进一步的研究和开发（Ismail等人，2024年）。有趣的是，细菌性败血症的微环境特征是炎症因子的过度产生和活性氧物种的过量产生，同时细菌毒力因子丰富，从而导致持续的细菌感染（Nandi等人，2024年）。这引发了对更先进、更智能的递送系统的兴趣，这些系统已被证明可以弥补传统纳米载体的不足。例如，仿生和刺激响应性纳米药物递送系统（NDS）在提高疗效和靶向释放抗生素对抗细菌性败血症方面显示出潜力（Ismail等人，2024年；Ibrahim等人，2021年）。
此外，败血症的病理生理学涉及复杂的通路，这些通路可以用来设计多功能NDS，同时靶向入侵病原体和炎症级联反应（Nyandoro等人，2023年）。值得注意的是，A解聚素和金属蛋白酶10（ADAM10）受体是一种关键的模式识别受体（PRR），表达在内皮细胞和单核细胞上，在金黄色葡萄球菌（SA）诱导的败血症进展中起着关键作用（Liao等人，2023年）。在感染过程中，由于暴露于α-溶血素（A-H），ADAM10过度表达，导致内皮细胞孔隙通透性增加，从而引发细胞死亡。此外，A-H在单核细胞中激活ADAM10，进而激活核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列的基因家族——pyrin结构域包含的3（NLRP3）炎性小体，促进促炎细胞因子如白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）的释放（Liao等人，2023年；Ezekwe等人，2016年）。因此，靶向ADAM10和A-H可能是一种有前景的仿生策略，用于设计NDS以减轻过度炎症反应并改善败血症的治疗效果。此外，败血症微环境的特点是活性氧物种水平升高，这会导致谷胱甘肽水平增加（Nyandoro等人，2023年）。在NDS中引入氧化还原敏感基团（如二硫键）可以促进在疾病部位的受控药物释放，提高疗效同时降低全身毒性（Mirhadi等人，2020年；Tageldin等人，2024年）。将仿生和氧化还原响应策略结合在负载抗生素的NDS中，对于提高针对细菌性败血症的疗效和靶向特异性具有巨大潜力。虽然这种双重策略已在其他疾病（如癌症（Mirhadi等人，2020年；Wang等人，2018年；Wu等人，2017年；12(null):1853–62.）和糖尿病（Gao等人，2019年；Wang等人，2020年）中得到探索，但据我们所知，尚未有专门为败血症管理开发的双重仿生氧化还原响应NDS。
在各种NDS中，混合脂质-聚合物纳米颗粒（HLPNs）作为一种有前景的药物递送方法出现，特别是在治疗细菌感染和相关炎症性疾病方面（Elhassan等人，2022年）。通过结合脂质和聚合物成分，HLPNs提供了保护性药物封装和更好的稳定性，能够递送多种亲水性和疏水性药物（Elhassan等人，2022年；Hadinoto等人，2013年）。HLPNs的多功能性还允许引入靶向基团和刺激响应元件（Elhassan等人，2024年；Elhassan等人，2022年；Hadinoto等人，2013年），使它们成为抗癌、抗菌和基因递送的理想候选者（Elhassan等人，2022年；Hadinoto等人，2013年；Palange等人，2014年）。最近，我们的团队基于单宁酸和油胺开发了新型仿生HLPNs，用于递送环丙沙星治疗细菌性败血症（Elhassan等人，2024年）。然而，迄今为止，尚未有报道的仿生氧化还原响应HLPNs，这突显了在败血症治疗中提高抗生素疗效的关键需求。
利用具有内在优势和良好理化及生物学特性的生物材料对于通过创新策略开发NDS至关重要。在这方面，绿原酸（CG）是一种水溶性酚类化合物（Huang等人，2023年；Yun等人，2024年），具有抗氧化、抗炎和抗菌特性，使其成为败血症管理的理想候选者（Huang等人，2023年；Yun等人，2024年；Li等人，2014年；Li等人，2024年）。其羧基可以通过氧化还原响应连接剂（如半胱胺）与硬脂酸（SA）等脂肪酸结合，形成一种新型的仿生氧化还原响应脂质（S-ss-CG），从而增强对抗败血症的疗效。另一方面，聚乙烯亚胺（PEI）是一种阳离子聚合物，广泛用于基因递送和抗菌应用（Chen等人，2020年；Liu等人，2010年），因为它可以通过静电相互作用破坏细菌膜，从而增强细胞内药物递送（Chen等人，2020年；Gao等人，2007年）。将PEI的抗菌特性与S-ss-CG的多功能优势结合在氧化还原响应HLPN系统中，为解决败血症及其并发症提供了新的有前景的策略。
因此，本研究旨在合成一种新型的S-ss-CG脂质，并利用其特性与PEI结合，创建一种名为SC-HLPN的仿生氧化还原响应HLPN，用于治疗细菌性败血症。选择VCM作为模型药物，因为它是治疗MRSA感染的一线抗生素。我们假设S-ss-CG脂质可能直接且竞争性地结合宿主ADAM10受体，防止其与细菌毒素相互作用并将其隔离。这可能导致NLRP3炎性小体的激活受到调节，从而减少下游炎症级联反应。此外，S-ss-CG的氧化还原响应性质可能在败血症的高还原条件下触发VCM的释放。此外，PEI的抗菌活性可能进一步增强纳米载体在败血症微环境中的抗感染效果。据我们所知，这是首次报道合成和利用S-ss-CG脂质作为任何疾病条件的靶向辅助剂，也是首次开发针对细菌性败血症的仿生氧化还原响应NDS。本文介绍了新型S-ss-CG脂质的合成和表征、in silico结合亲和力、SC-HLPN的配方和优化、in vitro表征、in vitro抗菌、抗氧化和抗炎研究以及in vivo抗菌活性的结果。
S-ss-CG的合成和表征
S-ss-CG衍生物是通过两步 carbodiimide 催化的反应合成的，对先前报道的方法（Prasad等人，2019年）进行了轻微修改，如图1所示。
S-ss-CG的合成和表征
结合了CG的强大抗氧化（Sato等人，2011年）和抗炎活性（Huang等人，2023年）以及二硫键的氧化还原响应性（Tageldin等人，2024年），成功合成了S-ss-CG并对其进行了表征。如图1所示，CG的接枝是通过两步酰胺化反应完成的。第一步中，SA与氧化还原响应连接剂（CYS）结合。随后，该中间体与CG反应
结论
结合仿生材料和氧化还原响应特性的设计用于开发抗生素NDS，是一种对抗细菌性败血症的有前景的方法。这种先进的NDS可以选择性靶向与败血症相关的微环境（如还原条件），同时调节关键炎症通路，从而改善败血症及其并发症的整体管理。在本研究中，开发了一种新型的仿生氧化还原响应脂质S-ss-CG
CRediT作者贡献声明
阿卜杜勒拉赫曼·塔格丁（Abdelrahman Tageldin）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究，数据分析，概念化。穆罕默德·A·加法尔（Mohammed A. Gafar）：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学，研究，概念化。埃曼·A·伊斯梅尔（Eman A. Ismail）：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。文森特·O·尼亚多罗（Vincent O. Nyandoro）：方法学，研究。加齐·埃拉明（Ghazi Elamin）：方法学，研究。邦加尼·B·恩坎布勒（Bongani B. Nkambule）：方法学，研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢夸祖鲁-纳塔尔大学（UKZN）健康科学学院和UKZN新型药物递送研究小组、国家研究基金会（NRF资助编号：CPRR23032086645，南非，对这项工作的资助。
