肺部疾病研究中不可或缺的科研儀器及解決方案介紹

特發(fā)性肺纖維化（Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF）是一種慢性、不可逆的肺部疾病，以肺部炎癥反應(yīng)、成纖維細胞過度增殖和細胞外基質(zhì)異常積聚為特征，導(dǎo)致肺部彈性增加、呼吸困難和肺功能衰竭。目前IPF的治療選擇有限，主要通過口服給藥，其中抗纖維化藥物吡非尼酮（Pirfenidone, PFD）雖能改善肺功能和患者生活質(zhì)量，但高劑量和嚴重的副作用（如消化不良和光毒性）限制了其臨床應(yīng)用。因此，開發(fā)更有效的IPF治療方案是當前的研究重點。
 
四川大學華西醫(yī)院/華西口腔醫(yī)院科研團隊在ACS Nano（SCI 1區(qū) 、影響因子:15.8）2024, 18, 26704−26721發(fā)表題為 《Tetrahedral Framework Nucleic Acids Delivery of Pirfenidone for Anti-Inflammatory and Antioxidative Effects to Treat Idiopathic Pulmonary Fibrosis》
 
在本文的體內(nèi)實驗部分，該團隊構(gòu)建了博萊霉素（BLM）誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化模型，使用北京元森凱德生物技術(shù)有限公司 研制生產(chǎn)的動物霧化吸入給藥儀器，將PFD-tFNA復(fù)合物（Pt）直接霧化至小鼠肺部，確保了藥物在病變部位的高濃度均勻性分布。
 
本文重點研究思路如下：
 

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1. 問題的提出
特發(fā)性肺纖維化（IPF）是一種致命的慢性肺部疾病，其特征是肺組織的異常修復(fù)和纖維化。目前，IPF的治療選擇有限，主要依賴于口服藥物吡非尼酮（PFD）。盡管PFD能夠延緩疾病進展并改善肺功能，但其臨床應(yīng)用受到以下限制：

• 高劑量需求：PFD需要高劑量（801 mg/次，每日三次）口服，導(dǎo)致患者依從性差。
• 嚴重的副作用：包括消化不良、光毒性和全身性毒性，這些副作用限制了其長期使用的可行性。
• 藥物遞送效率低：口服給藥導(dǎo)致藥物在肺部的局部濃度不足，且全身分布廣泛，增加了副作用的風險。

因此，開發(fā)一種能夠提高PFD在肺部局部濃度、減少全身分布的遞送系統(tǒng)，對于改善IPF治療效果至關(guān)重要。
 

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2. 選擇理想的藥物遞送載體
為了克服PFD的遞送問題，研究團隊選擇了**四面體框架核酸（Tetrahedral Framework Nucleic Acids, tFNA）**作為藥物載體。tFNA是一種具有以下優(yōu)勢的納米結(jié)構(gòu)：

• 良好的生物相容性：tFNA由DNA組成，具有良好的生物相容性和低免疫原性。
• 高效的藥物遞送能力：tFNA能夠通過其結(jié)構(gòu)中的溝槽與小分子藥物結(jié)合，并將藥物高效遞送至細胞內(nèi)部。
• 生物活性：tFNA本身具有抗炎和抗氧化能力，可能對IPF的治療產(chǎn)生協(xié)同作用。
• 易于合成和功能化：tFNA的合成過程簡單，且可以通過化學修飾實現(xiàn)藥物的高效結(jié)合。

 

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3. 構(gòu)建PFD-tFNA復(fù)合物（Pt）
研究團隊通過以下步驟構(gòu)建了PFD-tFNA復(fù)合物（Pt）：

• 合成tFNA：通過連接四條單鏈DNA（ssDNA）形成穩(wěn)定的四面體結(jié)構(gòu)。
• 結(jié)合PFD：將PFD分子嵌入tFNA的結(jié)構(gòu)中，形成復(fù)合物Pt。通過多種技術(shù)（如聚丙烯酰胺凝膠電泳、高效毛細管電泳、透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡）驗證了Pt的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。
• 表征Pt的物理化學性質(zhì)：通過動態(tài)光散射（DLS）測量Pt的尺寸和表面電荷，確認其在生理條件下的穩(wěn)定性。

 

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4. 體外實驗驗證Pt的細胞攝取和生物活性
在體外實驗中，研究團隊使用了兩種細胞模型：

• 小鼠胚胎成纖維細胞（NIH/3T3）：模擬成纖維細胞的激活和纖維化過程。
• 人肺泡上皮細胞（A549）：模擬上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）過程。

實驗結(jié)果表明：

• 細胞攝取能力：Pt能夠被兩種細胞高效攝取，且在細胞內(nèi)的分布廣泛，表明tFNA能夠有效地將PFD遞送至細胞內(nèi)部。
• 抗纖維化活性：Pt顯著抑制了TGF-β1誘導(dǎo)的成纖維細胞激活和EMT過程，減少了膠原蛋白I、α-SMA等纖維化標志物的表達。
• 免疫調(diào)節(jié)和抗氧化能力：Pt能夠調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，減少氧化應(yīng)激標志物（如NOX4）的表達，同時增加抗氧化標志物（如HO-1）的表達。

   

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5. 體內(nèi)實驗驗證Pt的治療效果和安全性
在體內(nèi)實驗中，研究團隊使用了博萊霉素（BLM）誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化模型，通過以下步驟驗證了Pt的療效：

• 藥物遞送方式：通過北京元森凱德生物技術(shù)有限公司 研制生產(chǎn)的動物霧化吸入給藥儀器，將Pt直接霧化至小鼠肺部，確保藥物在病變部位的高濃度分布。
• 治療效果評估：
  • Pt顯著減少了肺組織中羥脯氨酸（膠原蛋白沉積的標志物）的含量，改善了肺組織結(jié)構(gòu)。
  • Pt高劑量組（Pt-high）在抑制纖維化和恢復(fù)肺功能方面表現(xiàn)出最佳效果，與對照組（未誘導(dǎo)纖維化的小鼠）接近。
  • Pt顯著降低了小鼠的死亡率，恢復(fù)了體重，并且在治療期間未觀察到明顯的全身毒性。
• 免疫微環(huán)境調(diào)節(jié)：Pt能夠調(diào)節(jié)肺部的免疫細胞分布，減少M2型巨噬細胞、樹突狀細胞（DCs）、髓系抑制細胞（MDSCs）和T細胞的浸潤，從而抑制炎癥向纖維化的轉(zhuǎn)化。

 

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6. 作用機制探索
研究團隊進一步探討了Pt的作用機制，發(fā)現(xiàn)Pt通過以下途徑發(fā)揮抗纖維化效果：

• 調(diào)節(jié)TGF-β1/Smad信號通路：Pt顯著抑制了TGF-β1誘導(dǎo)的Smad2/3磷酸化，減少了成纖維細胞的激活和EMT過程。
• 抗炎和抗氧化作用：Pt通過減少氧化應(yīng)激標志物（如MDA、H2O2）和增加抗氧化酶（如SOD）的活性，改善了肺部的氧化應(yīng)激狀態(tài)，從而抑制了纖維化的進展。

 

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四面體框架核酸（Tetrahedral Framework Nucleic Acids, tFNA）作為藥物載體，通過微量精準霧化技術(shù)，藥物以霧化形式進入肺部，增加了藥物與肺組織的接觸面積，提高了藥物的吸收效率。該儀器操作簡單，易于掌握，適合在動物實驗中進行重復(fù)給藥操作。
   
北京元森凱德生物技術(shù)有限公司 研制生產(chǎn)的動物霧化吸入給藥儀器，主要包括大/小動物肺部氣管直接遞送裝置、動物口鼻吸入、僅鼻腔給藥、全身式暴露染毒、動物煙氣/PM2.5染毒系統(tǒng)、粉塵氣溶膠發(fā)生器、臭氧動物暴露裝置、動物高低壓氧艙等：
1. 精準遞送：能夠?qū)⑺幬锞_地遞送至小鼠肺部，確保藥物直接作用于病變部位，提高了藥物的局部濃度，減少了藥物的全身分布。
2. 高效吸入：通過精準微霧化技術(shù)，藥物以霧化形式進入肺部，增加了藥物與肺組織的接觸面積，提高了藥物的吸收效率。
3. 操作簡便：該儀器操作簡單，易于掌握，適合在動物實驗中進行重復(fù)給藥操作。
4. 科研應(yīng)用廣泛：不僅適用于IPF的研究，還可用于其他肺部疾�。ㄈ缦⒙宰枞苑尾〉龋┑乃幬镞f送研究，為肺部疾病的基礎(chǔ)研究和藥物開發(fā)提供了有力工具。
5. 臨床轉(zhuǎn)化潛力：該儀器的霧化技術(shù)與臨床霧化吸入治療相似，研究成果有望直接轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，為開發(fā)新型肺部疾病治療方案提供技術(shù)支持。
6. 提高實驗效率：相比傳統(tǒng)的口服給藥或氣管滴注，能夠更快速地將藥物遞送至肺部，縮短了實驗周期，提高了實驗效率。
 
附：北京元森凱德生物技術(shù)有限公司（BEIJING YSKD BIO-TECHNOLOGY CO.,LTD），簡稱元森凱德（YSKD），2013年成立于北京中關(guān)村科技園，是一家專業(yè)從事生命科學類實驗儀器研制、生產(chǎn)與銷售的科技創(chuàng)新型企業(yè)。服務(wù)毒理學、藥理學、免疫學、生物安全、大氣污染物、化學物質(zhì)毒性鑒定、臨床前藥物開發(fā)與安全性評價、呼吸系統(tǒng)、環(huán)境與健康等領(lǐng)域。

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