《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Precision nanomedicine for pulmonary diseases: from molecular targeting to clinical translation
肺系统是身体与外部环境之间的重要界面，使其极易受到环境、感染和遗传性损伤的影响。精准纳米医学为克服传统基因和药物疗法的局限性提供了一种有前景的策略，这些局限性包括与病毒载体相关的安全性问题、治疗药物的不稳定性、次优的细胞内化效率以及组织和细胞特异性靶向的严重缺乏。基于纳米颗粒的递送平台通过增强治疗稳定性和生物利用度、实现控制释放、促进细胞摄取和内体逃逸，以及实现对特定肺区室的靶向递送来应对这些挑战。尽管近期文献通常聚焦于特定纳米颗粒类型或孤立病理状态，本工作提供了呼吸道纳米医学现状的全面概述，弥合了基础纳米颗粒生物工程与广泛的肺部病理及临床转化障碍之间的鸿沟。我们讨论了用于肺部生物医学应用的纳米颗粒关键理化性质，以及用于靶向递送的先进设计策略。鉴于肺独特的结构和生理特点，我们比较了肺部和全身给药途径的优势与局限性，强调情境特异性的递送策略。我们在一系列疾病中探讨了纳米颗粒设计和治疗应用，包括肺纤维化、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、感染、肺血管疾病、囊性纤维化（CF）、哮喘、肺癌和新生儿肺部疾病。最后，我们评估了临床试验的现状，强调了诸如生物屏障、长期安全性和生产制造等转化挑战。本文提出了未来展望和跨学科策略，以推动纳米载体在呼吸系统疾病中的临床转化。
Etiological diversity and pathophysiological drivers of pulmonary disorders
External environmental factors in pulmonary disease
呼吸系统可作为细菌、病毒和真菌病原体入侵的主要入口。结核病（Tuberculosis, TB）由结核分枝杆菌引起，仍是全球最具破坏性的传染病之一。根据世界卫生组织最新全球结核病报告，该病影响全球约1080万人，并在2023年导致约125万人死亡。TB感染的持续性和休眠能力展示了呼吸道感染疾病中常见的复杂宿主-病原体相互作用。同样，最近的COVID-19大流行凸显了肺对空气传播病毒病原体的易感性。COVID-19感染导致肺上皮和血管损伤、组织修复缺陷以及纤溶功能受损。尸检证明，COVID-19诱导的急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）与其他原因引起的ARDS显著不同，具有明显的血管病变和严重的肺泡-间隔充血。
除感染性病原体外，长期暴露于环境毒素可显著促进肺部疾病的发病机制。COPD是环境诱导性呼吸系统疾病的一个例子。由长期接触烟草烟雾和其他有害颗粒及气体驱动，COPD导致慢性肺部炎症、进行性气流阻塞和肺泡破坏。COPD仍然是全球主要死亡原因之一，预计在未来几年将变得更加普遍。近期一项荟萃分析估计，40岁以上人群中COPD患病率约为12.64%，男性（15.47%）高于女性（8.79%）。COPD与吸烟、空气污染和职业暴露之间的密切联系证明了外部环境因素对呼吸健康的深远影响。
环境诱导性肺部疾病的机制涉及多个细胞区室的同步损伤和异常炎症反应。吸入的毒素可直接损伤呼吸道上皮并触发促炎级联反应，影响肺血管系统，破坏维持肺稳态的细胞修复机制平衡。
Genetics in pulmonary disease
遗传异常导致肺部疾病的发病机制和病因学，通常破坏正常肺生理所必需的特异性细胞功能。CF是一种遗传性疾病的例子，由影响正常上皮细胞功能的CF跨膜传导调节因子（CF transmembrane conductance regulator, CFTR）基因突变引起。机制上，CFTR允许氯离子正常转运至管腔空间。该通道功能失效导致细胞内氯离子积聚，产生使管腔黏液脱水的渗透梯度。CFTR突变影响全球约89,000人，证明了稳态生理通道的突变可对肺功能产生深远影响。
肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension, PAH）提供了遗传对呼吸系统疾病影响的另一个有力例子。PAH分为五个独立的组别。第1组PAH由遗传性和相关遗传病因引起，全球患病率约为每10万人2.8例，2021年有22,000例死亡。PAH可由影响内皮细胞或平滑肌细胞功能的突变引起，包括BMPR2、EIF2AK4（GCN2）和TBX4基因突变。这些遗传缺陷影响肺中的微血管和基质网络，导致大血管收缩或闭塞，以及外周肺毛细血管丧失和右心室肥厚。
α-1抗胰蛋白酶缺乏症（Alpha-1 Antitrypsin Deficiency, A1ATD）和原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia, PCD）是遗传性肺部疾病。A1ATD是由14号染色体上SERPINA1基因突变引起的常染色体共显性疾病，导致α-1抗胰蛋白酶蛋白缺乏。循环血液中α-1抗胰蛋白酶蛋白水平的显著降低损害了肺组织免受中性粒细胞弹性蛋白酶等酶蛋白水解损伤的保护。SERPINA1突变导致蛋白酶和抗蛋白酶之间的失衡，使脆弱的肺泡组织易受降解，导致肺气肿。相比之下，PCD是一种遗传异质性的、主要为常染色体隐性遗传的运动性纤毛病，由机械性气道防御功能失效引起。目前已知有54个基因编码运动纤毛的结构组分或组装因子与PCD相关。这些突变导致纤毛运动无效或不协调，导致黏液纤毛清除受损、慢性肺部感染，并常伴有器官偏侧性缺陷如内脏反位。最近的基因组数据显示PCD约影响7500人中的1人。它通常在新生儿期表现为呼吸窘迫，并可进展为严重呼吸衰竭，高达51%的PCD成人患者最终需要肺移植。
Complex interactions: environmental and genetic factors
许多肺部疾病是遗传和环境因素复杂相互作用的结果。哮喘是典型的基因-环境相互作用疾病。遗传易感性导致气道炎症和高反应性，而过敏原、污染和感染等环境暴露作为触发因素促使临床表现显现。
肺癌每年估计导致220万新发病例和179万例死亡，源于遗传易感性和环境风险因素。家族史使肺癌风险增加约50%，遗传力估计比许多其他常见癌症高约18%。此外，烟草烟雾仍是肺癌的主要环境风险因素。多种致癌化合物直接损伤肺上皮细胞并触发炎症。这种反复损伤和修复的循环导致癌变。遗传和环境因素的结合导致了特别侵袭性的疾病模式，使肺癌成为全球癌症相关死亡的主要原因。
PF是另一种由外部环境因素和内部遗传因素共同引起的肺部疾病。最近的研究表明，特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）是最常见的进行性纤维化肺部疾病形式，由遗传、环境和衰老之间的相互作用引起。环境中对II型肺泡上皮细胞的损伤现在被认为是IPF的核心驱动因素。损伤后的失调修复导致肺组织不可逆的纤维化瘢痕形成、肺功能障碍，并进展为呼吸衰竭。除上皮II型细胞外，其他细胞类型包括造血细胞、基质细胞和内皮细胞也参与IPF的发病机制。
Unique characteristics of neonatal respiratory diseases
新生儿呼吸系统疾病与成人疾病显著不同，因为肺组织存在持续发育过程。新生儿肺系统的不成熟形成了独特的发育脆弱性。这种发育背景意味着新生儿肺部疾病不能简单地通过成人疾病的视角来理解，而需要肺发育方面的专门知识。
新生儿疾病如支气管肺发育不良（bronchopulmonary dysplasia, BPD）和伴有肺静脉错位的肺泡毛细血管发育不良（alveolar capillary dysplasia with misalignment of pulmonary veins, ACDMPV）是值得关注的医源性或遗传性儿科疾病。新生儿呼吸系统疾病的独特性超出了其直接临床影响，具有持续到成年的长期影响。肺部并发症是新生儿（尤其是早产儿）患病、生长受损和死亡的主要原因。这些疾病的特殊性要求进行专门的研究，考虑发育中肺的动态特性以及遗传易感性、环境暴露和发育时机之间的复杂相互作用。
总之，肺部疾病可由感染、环境暴露、遗传异常和新生儿肺发育不成熟驱动。这些多样的挑战凸显了对纳米颗粒系统等创新递送策略的需求。
Advantages of nanoparticle systems in biomedical applications
Unique size-dependent features for nanoparticles
纳米材料已取得显著进展，现广泛用于各种生物医学领域，包括癌症诊疗、疫苗开发和体内成像。这些纳米尺度范围的材料表现出独特的理化性质，使其在医学应用中特别有价值。纳米材料的一个关键特征是极高的表面积与体积比，这增强了其与生物分子的相互作用。这一性质对药物或基因封装等应用至关重要，因为更高的表面积允许更大的治疗载荷容量。此外，纳米材料的表面化学可通过配体偶联、元素掺杂或与其他纳米材料复合等功能化策略精确设计。特定尺寸还为纳米颗粒提供了独特的物理性质。例如，超顺磁性纳米颗粒和量子点是生物医学应用中两类极有前景的纳米材料，两者均表现出尺寸依赖性行为。
当磁性颗粒低于在纳米尺度维持多个磁畴的临界尺寸时，每个纳米颗粒成为单磁畴。这些单一磁畴可以在室温下快速翻转其磁化方向并消除磁滞现象。超顺磁性纳米颗粒因其响应外部磁场的能力，同时在无外部磁场时避免团聚，为生物医学应用提供了独特优势。这种行为使得磁共振成像、磁引导靶向和磁热疗得以在生物医学中应用。类似地，量子点是尺寸与玻尔激子半径相当或更小的半导体纳米晶体。当其尺寸限制在1-20 nm范围内时，量子限制效应在三个空间维度上限制电荷载流子（电子和空穴）的运动。这一现象导致独特的光学和电学性质，包括高光稳定性、宽吸收光谱、窄且尺寸可调的发射波长，以及优异的生物相容性，所有这些使量子点对生物医学成像和传感应用特别有吸引力。
生物相容性脂质体制剂，如阿米卡星脂质体吸入混悬液（amikacin liposome inhalation suspension, ALIS），由尺寸范围在200-300 nm的小脂质体组成。这一特定尺寸范围允许处理过程中的无菌过滤，并促进肺巨噬细胞增强摄取以消除持续存在于这些细胞内的病原体。这些脂质体的尺寸依赖性内化使得高浓度抗生素直接递送至细胞内感染部位，克服了与游离药物递送相关的局限性。
基于纳米颗粒的平台提供了全面解决方案，以克服传统递送方法难以解决的根本性限制。这些系统可以保护治疗货物免于降解或聚集，通过尺寸依赖性机制增强细胞摄取，促进进入细胞后的内体逃逸，并提供组织或细胞特异性靶向。
Enhancing therapeutic stability and controlled release
在生理条件下，疏水性药物分子倾向于相互作用，导致形成降低生物利用度和治疗功效的聚集体。许多已开发的候选药物溶解度差。具体而言，约40%的已批准药物和约90%的开发管线中的药物溶解度差。一些高度疏水的药物在热力学上不稳定，导致在生理环境中的胶体不稳定性、聚集和快速结晶。在分子水平上，这些疏水药物与水之间的高界面张力（γ）导致分散态具有正吉布斯自由能（?G > 0）。为达到较低能量状态（?G < 0），系统自发最小化药物分子的表面积（?A），导致聚集。纳米颗粒通过在疏水治疗剂周围提供亲水性表面来解决这些限制，从而降低界面张力并使系统的吉布斯自由能趋近于零以增强物理稳定性。此外，纳米颗粒结构作为分子笼诱导空间位阻，将药物捕获在无定形或小纳米晶状态。这种构型防止疏水分子重组为大的不溶性晶格。因此，纳米颗粒封装通过抑制结晶和聚集来稳定分散状态，促进临床相容的水性给药。除防止聚集外，疏水药物的封装保护其免受酶降解，从而延长循环时间并改善治疗结果。近年来，已开发纳米颗粒通过各种封装机制增强疏水药物的稳定性。常见策略涉及使用两亲性分子创建脂质基或聚合物纳米颗粒。这些纳米颗粒设计有疏水核心以封装药物分子和亲水表面以防止在生物环境中聚集。稳定疏水药物的另一种有效方法是使用无机纳米颗粒，特别是具有介孔结构的纳米颗粒，如介孔二氧化硅纳米颗粒或氧化铁纳米簇。这些材料具有高表面积、大孔体积和可调孔径，使其成为药物封装的理想平台。
同样，核酸分子面临显著的递送挑战，因为它们易受生物流体中核酸酶的影响。信使RNA（messenger RNA, mRNA）和质粒DNA通常易被降解且被靶细胞摄取不良。例如，稳定化的mRNA广泛用于基因治疗。然而，mRNA分子极易被普遍存在的核糖核酸酶（ribonucleases, RNases）降解。RNase酶可在给药后数分钟内切割核酸的磷酸二酯骨架，限制其治疗潜力。纳米颗粒系统通过物理封装和表面屏蔽为核酸提供保护，有效抵御富含核酸酶的环境。脂质基纳米颗粒在mRNA疫苗中取得了显著成功，形成保护性双层结构将核酸包裹在内部， shielding them from enzymatic degradation。另一方面，聚合物纳米载体通常利用阳离子聚合物和阴离子核酸之间的静电相互作用形成凝聚的纳米结构，通过空间位阻阻止核酸酶接触磷酸二酯键。
基于纳米颗粒的递送系统还提供对治疗货物释放的精确控制。这种控制释放能力解决了药物递送中的几个基本挑战，包括维持有效治疗浓度、减少全身毒性和整体改善临床结果。目前，纳米颗粒控制释放策略大致分为两类：持续释放系统和刺激响应系统。持续释放系统旨在提供封装治疗剂的连续和延长释放。刺激响应系统能够在特定刺激触发下按需释放货物。
持续释放主要依赖于纳米颗粒中聚合物基质的降解。例如，聚乳酸-乙醇酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）纳米颗粒代表了最先进的持续释放平台。PLGA的可生物降解性质通过基质降解实现控制药物释放，释放曲线可从数小时到数月进行工程设计。虽然PLGA因其高生物相容性和生物降解性而被广泛认可，但聚合物水解过程中酸性单体（乳酸和乙醇酸）的积累可显著降低局部组织pH。这种局部酸性可能引起组织刺激或对肌成纤维细胞分化产生不利影响。此外，研究表明PLGA纳米颗粒可与肺表面活性剂膜相互作用，PLGA聚合物的疏水性质与颗粒在界面的较高保留相关，这加剧了对表面活性剂功能的抑制。相比之下，刺激响应纳米颗粒，也称为“智能”纳米颗粒，被设计为响应特定触发因素发生构象或化学变化，实现按需药物释放。刺激可分为内部（内源性）和外部（外源性）触发因素。内部刺激涉及疾病状态特有的生物线索。例如，肿瘤微环境呈现疾病特异性特征，包括与生理pH（7.4）相比更低的pH水平（pH 5.6-6.8）。这一特征可用于触发pH敏感聚合物降解和纳米颗粒中治疗货物的释放。类似地，癌细胞中高浓度的谷胱甘肽（glutathione, GSH）为触发氧化还原刺激响应纳米颗粒的控制药物释放提供了高度可转化的机制。设计用于响应GSH的刺激响应纳米颗粒通常在其疏水核心内掺入二硫键（S-S）。细胞摄取后，肿瘤细胞内的高GSH水平还原并断裂这些二硫键，使纳米颗粒不稳定并促进治疗药物释放。相反，外部刺激在体外施加以触发纳米颗粒响应，提供治疗释放的精确控制。其中，近红外（near-infrared, NIR）光、磁场和超声因其非侵入性和深层组织穿透而特别有前景。NIR响应纳米颗粒系统通常包含光热剂，吸收NIR光产生局部热量以破坏纳米颗粒结构并触发药物释放。类似地，磁性纳米颗粒在交变磁场下通过磁热疗产生热量，可激活热敏纳米颗粒载体的药物释放。超声刺激施加热和机械效应：声能可转化为热以诱导药物释放，而空化效应，特别是超声诱导微泡破裂产生的空化效应，可机械破坏纳米载体并促进货物释放。
Enhancing cellular uptake and endosomal escape
哺乳动物细胞膜是药物或核酸递送的主要屏障，因为磷脂双层根据其理化性质选择性限制治疗分子的通过。由于双层的疏水性质，亲水性药物因其极性而难以通过。细胞递送效率随分子特征显著变化，为肺部医学中使用的不同类别的治疗药物创造了独特的挑战。分子量低于1 kDa的小分子药物主要依赖被动扩散进入细胞，但其穿透效率受其亲脂性和与细胞膜双层相容性的强烈影响。Patton等人证明，对于100至1000 Da之间的小分子，吸收速率主要由亲脂性而非大小决定，因为亲脂性药物快速利用跨细胞途径；然而，其整体穿透效率仍受肺有限黏膜液中溶解动力学的影响。亲水性化合物难以穿过脂质双层，限制了其细胞内浓度。相比之下，超过1 kDa的生物大分子不能通过膜扩散，必须通过内吞等主动过程内化。然而，由于其高分子量和缺乏特异性受体相互作用，这些大分子通常表现出低摄取效率。类似地，由于尺寸大和强聚阴离子性质，核酸本质上难以通过被动扩散穿过亲脂性细胞膜。
为克服这些限制，基于纳米颗粒的递送系统利用主动转运机制促进细胞摄取。纳米颗粒的尺寸允许通过多种内吞途径被识别和内化，包括网格蛋白介导的内吞、小窝蛋白介导的内吞和巨胞饮。这些主动摄取过程显著增强细胞内化。纳米颗粒的理化性质，包括尺寸、形状、表面电荷和机械刚度，在决定其与质膜相互作用和首选内化途径中起关键作用。例如，100-150 nm之间的纳米颗粒倾向于通过网格蛋白介导的内吞进入细胞，而60-80 nm范围的颗粒有利于小窝介导的摄取。较大的颗粒，范围在500-1500 nm，通常通过巨胞饮内化。此外，颗粒形状影响细胞摄取：球形纳米颗粒更可能利用网格蛋白或小窝蛋白介导的内吞，而棒状或细长颗粒可参与巨胞饮途径。含有磷脂的纳米颗粒，如脂质基纳米颗粒或细胞膜包被的纳米颗粒，因其直接与细胞膜融合的能力而提供独特优势。这一性质绕过内吞捕获并促进有效细胞内货物递送至细胞质。
纳米颗粒的表面化学可精确工程设计以优化细胞摄取。用阳离子聚合物（如壳聚糖或聚乙烯亚胺）包被纳米颗粒可以中和核酸的负电荷，同时增强与带负电荷的细胞膜的静电相互作用。细胞穿透肽（cell-penetrating peptides, CPPs）代表克服膜屏障的最有效策略之一。CPPs可偶联至纳米颗粒表面以显著改善膜转位。它们通常包含4-40个富含精氨酸和赖氨酸等正电荷残基的氨基酸，以促进膜和细胞内化。近期研究报告，CPP修饰纳米颗粒的细胞摄取可 compared to unmodified counterparts改善50倍。
然而，成功的内化不足以递送功能性货物，内体逃逸是细胞内递送的关键挑战。内吞后，包括核酸在内的大分子经常被困在内体中，最终在溶酶体中降解，显著降低其细胞内生物利用度和治疗潜力。最近的研究表明，超过2%的内化治疗性小干扰RNA（small interfering RNAs, siRNAs）从内体逃逸并到达细胞质。专业化纳米颗粒制剂已被设计用于应对这一挑战。质子海绵效应依赖于可电离材料的缓冲能力来破坏内体膜。纳米颗粒上胺基团在酸性内体和溶酶体环境中的质子化导致氯离子内流、渗透肿胀和膜破裂。类似地，可电离脂质纳米颗粒通过在酸性环境中进行电荷转换来促进内体逃逸，使其能够结合并融合内体膜，从而将其货物释放到细胞质中。
Enhancing tissue-specificity and cell-specific targeting
Active targeting
工程化纳米颗粒递送系统的发展引入了强大策略来克服治疗药物和核酸非特异性生物分布的长期障碍。这些技术通过增强靶向病理部位的精度彻底改变了该领域。主动靶向，也称为受体介导的靶向，是实现细胞特异性的最有效技术之一。该方法涉及用功能性配体装饰纳米颗粒表面，这些配体选择性结合靶细胞特有的表面受体。通过使用具有高亲和力和分子识别特异性的配体，纳米颗粒能够优先积累并被靶细胞内化，同时最小化非靶组织的摄取。
抗体，或免疫球蛋白（immunoglobulins, Ig），是纳米颗粒表面修饰中使用最广泛的配体之一，因为其对抗原有非凡的特异性和亲和力。结构上，抗体是由两条重链和两条轻链组成的Y形分子。根据其结构和功能分为五种主要同型：IgA、IgD、IgE、IgG和IgM。其中，IgG在人血清中含量最丰富，广泛用于治疗应用和纳米颗粒功能化。为将抗体偶联到纳米颗粒表面，可采用物理或离子吸附。物理吸附依赖疏水相互作用，通常导致构象变化和随机抗体取向，这可能损害生物活性。离子吸附利用基于抗体表面电荷密度的静电相互作用，提供更好的取向，但易被血清蛋白置换。两种方法都需要高抗体浓度，增加成本并限制广泛应用。此外，吸附方法依赖弱分子间力，导致稳定性降低。与吸附策略相比，共价偶联提供增加的稳定性和正确定向的抗体附着。最广泛使用的方法之一是碳二亚胺化学，其中1-乙基-3-（-3-二甲氨基丙基）碳二亚胺（EDC）活化纳米颗粒上的羧基，与抗体上的伯胺形成稳定的酰胺键。添加NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）可增强偶联效率。硫醇-马来酰亚胺介导的偶联是通过二硫键偶联将抗体共价结合到纳米颗粒上的另一种方法。该方法涉及还原抗体二硫键以产生游离硫醇基团，通过迈克尔加成与马来酰亚胺功能化的纳米颗粒表面反应。马来酰亚胺基团对抗体蛋白上半胱氨酸的硫醇侧链具有高选择性。尽管有效，这些传统共价方法仍可能导致随机抗体取向和抗原结合（Fab）区的部分掩蔽。为解决这些限制，引入了点击化学以实现位点特异性生物偶联。点击化学包括一组生物正交反应，其特征在于简单、高产和生物相容性，在温和条件下产生最少副产物。常见的点击化学反应包括铜（I）催化的叠氮-炔环加成（CuAAC）、应变促进的叠氮-炔环加成（SPAAC）、狄尔斯-阿尔德和逆电子需求狄尔斯-阿尔德（IEDDA）反应、施陶丁格连接、硫氟交换（SuFEx）和光触发反应。或者，可使用蛋白质适配体以一致且功能活性取向将抗体固定在纳米颗粒表面。这些适配体特异性结合IgG抗体的保守Fc区，使Fab结构域可进行抗原识别。该方法允许交换抗体以识别不同靶标。
除抗体外，肽因其较小的尺寸、高合成可及性、结构多样性和降低的免疫原性而越来越多地用作靶向配体。肽还拥有可通过类似于大蛋白偶联的方法进行化学偶联的官能团。重要的是，必须考虑肽的一级序列（决定受体结合）及其二级/三级构象（决定结构稳定性和生物活性）。例如，Arg-Gly-Asp（RGD）肽序列因其对αvβ3整合素的高亲和力而广受认可，αvβ3整合素在肺癌细胞和肿瘤相关内皮细胞上丰富。用RGD肽功能化纳米颗粒可通过整合素介导的内化显著增强靶向药物递送。然而，线性RGD肽在生理条件下易快速蛋白水解降解。为增强稳定性和结合效率，已开发环状RGD（cRGD）肽。环状构型提供抵抗蛋白水解切割的刚性结构并保留受体结合构象，从而改善生物活性和靶向性能。此外，肽在纳米颗粒上的附着方式显著影响功能性。例如，已证明cRGD肽必须使用长聚乙二醇（poly(ethylene glycol), PEG）链和短寡聚赖氨酸间隔区连接到等离子体纳米颗粒上以维持最佳空间呈现。cRGD直接连接PEG而无间隔区可能损害靶向能力。配体密度也应考虑，中等密度（约0.2-0.5配体/nm
2）通过避免空间位阻和聚集效应产生更好的靶向效率。
除蛋白质和肽外，其他小生物分子可用作靶向配体，并提供若干优势，如偶联化学简单、高可制造性和低成本。然而，因为小分子通常与其靶标形成弱的非共价相互作用，相关受体必须拥有深结合口袋以确保足够的特异性和亲和力。一个突出的例子是叶酸（folic acid, FA），一种与叶酸受体（folate receptors, FRs）强结合的维生素。FRα受体在多种癌细胞中过表达，而FRβ见于与自身免疫和炎症疾病相关的活化巨噬细胞上。FRα和FRβ均对FA表现出强结合亲和力（Kd = 10
-7 mM）。已发表研究表明，FA功能化的纳米颗粒由于其各自的FR而在肿瘤肺组织和纤维化肺区域附近的髓系细胞中积累，突显了在肺癌和PF中的潜在转化用途。适配体是另一类用于纳米颗粒功能化的生物分子。这些合成单链DNA或RNA折叠成独特的三维构象，赋予亲和力和特异性。通常，适配体含有40-100个核苷酸碱基，序列本身决定3D结构和结合能力。其生产使用指数富集的配体系统进化（Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment, SELEX）可扩展且成本有效，这是一种从大型组合文库中迭代选择高亲和力适配体序列的高通量过程。这些独特特征使适配体对通过纳米颗粒进行肺靶向药物和基因递送特别有吸引力。
Passive targeting
与主动靶向策略相比，被动靶向依赖纳米颗粒的内在理化性质。与通常需要细胞界面上配体-受体相互作用的主动靶向不同，被动靶向允许纳米颗粒在循环过程中实现器官选择性沉积。该方法避免了配体偶联的成本和复杂性，配体偶联可能进一步被生物流体中蛋白质冠的形成所损害。由血清蛋白吸附到纳米颗粒表面形成的蛋白质冠可掩盖靶向配体并降低结合效力。蛋白质冠损害靶向的程度取决于配体的分子大小。小配体（如肽或单域抗体）与大抗体相比容易被掩蔽。
被动靶向在很大程度上受纳米颗粒制剂和结构的影响，这导致包括尺寸和表面电荷在内的不同理化性质。流体动力学尺寸可直接影响纳米颗粒在靶向器官/组织中的命运。大于150 nm的纳米颗粒通常被肝脏中的库普弗细胞从外周血清除，而大于200 nm的在脾中被清除。相比之下，小于6 nm（硬纳米颗粒）或10 nm（软纳米颗粒）的被肾脏过滤并通过尿液排出。因此，对于肺靶向静脉递送，纳米颗粒应设计在最佳尺寸范围内（通常在60-120 nm之间），以避免被其他器官清除并增强在肺组织中的积累。这一点特别重要，因为肺拥有广泛的微血管网络，血流速度相对较低，有利于该尺寸范围内纳米颗粒的截留。细胞摄取机制也依赖于纳米颗粒的尺寸。网格蛋白介导的内吞通常偏好100-150 nm范围的颗粒，而小窝介导的内吞对60-80 nm之间的较小纳米颗粒更有效。小窝蛋白-1（Caveolin-1, Cav-1）对小窝的形成和功能至关重要，调节货物摄取和运输，在肺组织中高表达。已发表研究表明Cav-1在肺癌中过表达。因此，在最佳尺寸窗口内工程的纳米颗粒对组织和细胞水平的被动内化都是有效的。
除尺寸外，纳米颗粒的表面电荷在细胞特异性靶向中起关键作用。肺含有致密的毛细血管内皮细胞网络，尤其是在发生气体交换的肺泡区域。这些内皮细胞的功能障碍导致各种肺部病理，因此使其成为靶向治疗干预的有吸引力的靶标。内皮细胞的顶端表面覆盖有带负电荷的糖萼，由糖胺聚糖、糖脂和糖蛋白的阴离子网络组成。带正电荷的纳米颗粒更容易与该带负电荷的表面相互作用，增强细胞摄取。例如，载有核酸的基于PEI/PEG的复合物纳米颗粒在静脉给药后被证明选择性转染肺内皮细胞，而其他肺细胞类型无明显摄取，强调了正电荷在内皮细胞递送中的作用。相反，带负电荷的纳米颗粒更可能被糖萼排斥并通过内皮连接而不被内化。病理性的细胞表面电荷变化可用于被动靶向。癌细胞，包括肺癌细胞，由于改变的葡萄糖代谢（称为Warburg效应）通常表现出带负电荷的膜。1920年，Otto Warburg发现肿瘤与周围组织相比使用更多葡萄糖。这一现象也称为“有氧糖酵解”，因为癌细胞在有氧情况下发酵葡萄糖产生乳酸。在正常细胞中，氧的存在有利于氧化磷酸化，消除了乳酸产生的分流。与葡萄糖的完全有氧呼吸相比，糖酵解在产生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）方面效率低下。有氧呼吸产生的相同量ATP需要更高量的葡萄糖使用糖酵解。因此，有氧糖酵解产生的乳酸快10-100倍。因此，高葡萄糖摄取水平和乳酸分泌行为被认为是癌细胞最可区分的代谢模式。最重要的是，肿瘤细胞中乳酸的异常跨膜运动可以中和钠等阳离子。因此，癌细胞上的净表面电荷通常为负，可用于靶向癌细胞。具有正表面电荷的纳米颗粒可显著增强癌细胞靶向效率。更重要的是，在蛋白质冠存在下，正电荷与癌细胞保持强静电相互作用。因此，电荷介导的靶向是纳米颗粒设计考虑中稳健且可扩展的策略。
Other targeting
为进一步提高靶向效率，可施加外部物理力以引导纳米颗粒在所需部位的积累。其中，磁靶向最近被探索。在该策略中，超顺磁性氧化铁纳米颗粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPIONs）被掺入递送系统，并使用外部施加的磁场引导至特定解剖区域。计算模型表明，在分叉气道区域附近施加的磁场可显著增强肺腺泡区域的沉积效率，实现磁化纳米颗粒约100%的定位。这些预测已在实验环境中得到验证。例如，由SPIONs和固体脂质基质组成的可吸入纳米-微米颗粒在磁引导下已证明增强的肺肿瘤积累。体内研究表明，磁激活使SPIONs在靶向肺叶中的沉积与无磁激活的肺叶相比增加超过十倍。除肺给药外，通过静脉注射的磁靶向也已得到证明。例如，负载SPION的间充质基质细胞被静脉注射到实验性矽肺小鼠中。施加外部磁场显著改善了磁化间充质基质细胞及相关纳米颗粒的肺保留。
超声引导靶向是另一种有前景的方法，利用超声-微泡相互作用增强血管通透性并促进更深的纳米颗粒穿透。振荡微泡产生声学微流、冲击波和微射流等机械力，瞬时破坏内皮连接。最近一项研究使用Fe
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4纳米载体结合超声诱导声穿孔和空化。该过程增强了深层肺肿瘤中纳米颗粒的积累，并改善了非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）治疗的疗效。总之，纳米颗粒的独特性质，包括高效药物封装的高容量、治疗剂的保护和稳定、促进细胞摄取，以及实现治疗货物控制释放的能力，为克服肺部疾病传统疗法的主要局限性提供了多功能平台。
在总结中，纳米颗粒设计可用于增强靶向效率。纳米颗粒的理化性质是靶向策略的基础。在被动靶向中，这些性质通过影响与细胞或组织的相互作用直接影响纳米颗粒行为。相反，理化性质通过决定表面偶联配体的可及性间接影响主动靶向。例如，如果纳米颗粒尺寸超过下呼吸道沉积或黏液穿透所需的关键阈值，表面偶联的配体将与靶细胞相互作用的机会极小，从而显著降低主动靶向效率。类似地，不合适的表面电荷或高表面自由能可促进蛋白质冠的快速形成，这可能掩蔽表面偶联配体，特别是较小部分如肽，并阻止靶受体的分子识别。此外，磁靶向等其他靶向策略本质上依赖这些性质，因为超顺磁行为是严格尺寸依赖的现象。因此，具有优化理化性质的纳米颗粒的合理工程不仅是被动分布的特征，而且是肺纳米医学中主动靶向系统精度和功效的关键要求。
Nanoparticle administration for pulmonary therapeutic delivery
基于纳米颗粒的递送系统已成为克服限制基因和药物治疗肺部疾病疗效的内在屏障的变革性平台。鉴于肺独特的解剖和生理特征，纳米颗粒可通过两种不同途径给药：肺部和全身。最佳给药途径的选择主要取决于靶向的特定细胞类型和治疗目标，因为每种方法呈现根本不同的生物屏障，在纳米颗粒疗法设计期间必须仔细考虑。
Pulmonary administration
肺部给药（气管内或鼻内途径）代表向肺组织递送纳米颗粒最有前景的方法之一。该途径提供几个关键优势，最大好处是直接进入肺组织，从而增加局部浓度并实现快速治疗作用起效。通过绕过首过肝脏代谢，肺部递送还可减少全身毒性和所需治疗剂量。脂质体环丙沙星通过肺部途径递送，提供持续药物释放以改善治疗效率和耐受性。为肺部递送设计的纳米颗粒制剂增强细菌生物膜的穿透并促进气道感染的治疗。此外，肺部途径使用适当的吸入装置提供方便的治疗给药方法。这一特征对于需要频繁给药和长期家庭治疗的慢性疾病尤其重要。
尽管有这些显著优势，几个重要屏障限制了肺部纳米颗粒递送至肺细胞的效率，需要仔细设计纳米颗粒递送系统以克服这些障碍。人类呼吸道的层级分支结构导致气道直径和气流的区域差异，这反过来严重影响基于尺寸的纳米颗粒沉积。直径超过5 μm的颗粒主要沉积在上气道，因为其惯性阻止其跟随变化的气流模式，导致与气道壁碰撞。相反，已发表研究报告颗粒直径在1-5 μm之间对下呼吸道沉积最有效，因为小于1 μm的颗粒容易呼出。虽然小颗粒有更大可能被呼出，但这被其增强的分布至整个肺并到达远端气道和肺泡的能力所抵消，具有高肺弥散效率。在气流速度接近零的肺泡区域，只有直径<500 nm的颗粒可通过布朗扩散和静电吸引有效沉积。大量研究表明，小于200 nm的纳米颗粒表现出增强的肺分布和保留。重要的是要区分肺沉积和肺细胞摄取，因为它们发生在不同的生物学尺度。肺沉积是颗粒分布在呼吸系统中的解剖学现象。相比之下，肺细胞摄取是涉及颗粒与细胞膜相互作用的细胞水平过程。虽然沉积定义了颗粒的解剖位置，但细胞摄取描述了纳米颗粒与靶细胞的特异性相互作用。
气道黏液屏障是肺递送中的另一个关键挑战，显著影响旨在靶向肺细胞的纳米颗粒治疗系统的功效。主要由杯状细胞分泌的气道黏液层覆盖气管和传导气道中的上皮表面，作为保护上皮免受病原体和污染物等外来物质的防线。这种复杂的黏弹性凝胶可捕获吸入的纳米颗粒，导致其从肺部快速清除，为肺递送设置有限的时间窗口，特别是在黏液过度产生和黏液粘度增加的慢性呼吸系统疾病中。为克服黏液纤毛清除，纳米颗粒必须穿透黏液凝胶层并快速进入纤毛周围空间。黏液具有孔径范围在100-200 nm之间的网状网络。黏液层通常过滤较大的纳米颗粒，只有小颗粒，特别是小于100 nm的，能够有效穿透黏液。因此，纳米颗粒的黏液穿透能力是尺寸依赖的，较小的纳米颗粒有更高的机会克服这一屏障。另一方面，黏液纤毛清除通常移除与黏液分子直接相互作用的纳米颗粒。黏液层由约98%的水、1%的盐和0.3%的黏蛋白糖蛋白组成。黏蛋白含有带负电荷的结构域，可与带正电荷的纳米颗粒相互作用。已发表研究表明，胺和羧基修饰的纳米颗粒由于与黏蛋白的静电相互作用和氢键而被困在黏液中。此外，黏蛋白具有周期性疏水裸露蛋白球状结构域，导致具有疏水表面的纳米颗粒强烈粘附于黏液组分，从而在黏液网络内固定。为最小化这些粘附相互作用，纳米颗粒必须工程化为具有亲水性、中性电荷表面。PEG化是创建黏液穿透纳米颗粒的研究最广泛的方法。致密PEG涂层屏蔽纳米颗粒免受与黏液组分的粘附相互作用，允许通过黏液层快速扩散。值得注意的是，PEG化的功效更多地取决于PEG的表面密度而非其分子量。纳米颗粒表面高密度的PEG链创建刷状构象，有效屏蔽纳米颗粒核心免受与黏蛋白（黏液的主要组分）的粘附相互作用。尽管PEG化有益处，但这些制
