磁場讓內皮細胞“走火入魔”，破解藥物遞送難題

　　靜脈給藥是一種非常重要而有效的給藥方式，不過血管內皮的存在導致分子量大于白蛋白（66 kDa）的物質無法滲透出血管。只有當血管內皮的通透性顯著增強時，蛋白質、核酸、納米藥物等才能大量穿過內皮進入組織。而大多數疾病狀態下，病灶處血管內皮都保持著結構和功能的完整，導致大分子藥物難以大量遞送至病灶區。因此，克服血管內皮障礙是藥物遞送要解決的一大難題。

　　近期，美國佐治亞理工學院和埃默里大學的Wilbur A. Lam教授與萊斯大學的Gang Bao教授等人在Nature Communications 上發表論文，提出了一種新的增強血管內皮滲透性的物理方法。他們先用外磁場調控血管內皮細胞攝取磁性納米顆粒（MNPs），再用外磁場作用于胞內MNPs，影響內皮鈣黏蛋白和F肌動蛋白的相互作用，擾亂血管內皮黏著連接，從而靶向增強特定區域血管內皮的滲透性，最終增強系統給藥在特定部位的輸送效率。

　　早期研究表明可以利用磁場給胞內MNPs施加外力控制細胞信號通路。而作者在前期研究中發現外加磁場不僅可以增強血管內皮細胞對MNPs的內吞，還能通過磁力調控F-肌動蛋白的動力學和組裝結構，而肌動蛋白組裝結構的改變可以擾亂粘著鏈接并增強血管滲透性。因此作者就猜想，是否可以利用磁場通過內皮細胞內的MNPs給細胞施加內力，改變F肌動蛋白，從而增強血管內皮通透性，促進大分子藥物輸送？

　　首先，作者用熱分解法合成了直徑為16 nm和33 nm的磁性氧化鐵納米顆粒，并用磷脂-聚乙二醇進行包載形成親水的MNPs，同時在包載過程中摻入熒光分子DiI和DiR進行標記分別用于體外、體內熒光成像。他們利用NdFeB磁體產生磁場，計算發現每個MNPs在該磁場內受的磁力大小在1 fN量級。

圖1. 氧化鐵納米顆粒的示意圖及表征。

　　通過將MNPs與內皮細胞一起培養，并用磁場進行處理，他們發現磁場可以顯著增強內皮細胞對MNPs的內吞。磁場作用1 h后，內皮細胞內隨機分布的F-肌動蛋白纖維沿著磁場方向有序排列。而經計算，這種情況下細胞受力的大小和細胞在血管內皮上受力的大小相當。

圖2. 磁力對吞噬MNPs的內皮細胞的影響，改變F-肌動蛋白的排列方式。

　　為了模擬體內血管的動態環境，作者制作了一種內皮細胞化的微流體通道。他們將單層的內皮細胞培養在管道的內表面，并使培養基按照生理條件下血液的流速在管道內流動。這種條件下，細胞內的F-肌動蛋白纖維主要富集在細胞-細胞接觸面，同時沿著培養基流動的方向排列。

圖3. 體外制備內皮細胞化的微流體管道。

　　隨后，作者研究了流體沖刷狀態下磁場對內皮細胞吞噬MNPs的影響及吞噬MNPs后效應的影響。作者發現在步驟1（圖4d）的情況下，磁場可以將內皮細胞吞噬的MNPs的量增加2.3倍。而經過步驟1處理之后再按照步驟2（圖4e）處理1小時，細胞中的F-肌動蛋白排列被擾亂，沿著流體流動方向的排列減少，同時血管內皮鈣粘蛋白排列被擾亂。而在停止磁場作用12小時后，內皮細胞的F-肌動蛋白和血管內皮鈣粘蛋白均恢復至處理前的狀態，這意味著內皮細胞可以感知剪切力和內部的磁力，并據此動態調節胞內的F-肌動蛋白排列。同時，磁力擾亂內皮細胞鈣粘蛋白后可以增強內皮通透性，從而增強大分子蛋白質的穿透性。

圖4. 體外磁力對內皮細胞F-肌動蛋白及鈣粘蛋白排列的影響。

　　隨后，為了觀察磁力是否可以增強MNPs在小鼠體內血管壁的富集，作者先通過尾靜脈給小鼠注射DiR標記的33 nm的MNPs，并將磁體放在對側的靜脈處。近紅外熒光成像顯示磁場可以增加MNPs在尾靜脈血管壁的富集，定量分析顯示磁場作用下MNPs在尾靜脈血管周圍的富集量增加了約10倍，同時MNPs主要分布在內皮上，而不是在組織間隙中。這意味著磁場可以達到磁靶向的作用，增強MNPs在小鼠血管壁上的富集。

圖5. 磁場促進MNPs在小鼠體內尾靜脈周圍富集。

　　最后，作者用吲哚花青綠（ICG）研究了磁靶向對血管壁通透性的影響。ICG是一種可以與脂蛋白結合形成大分子熒光染料的近紅外熒光染料，而結合脂蛋白的ICG只能穿透通透性增強的血管壁，以此模擬大分子蛋白質藥物。作者在小鼠尾靜脈注射未標記的MNPs后利用磁體處理尾靜脈2小時，然后注射ICG，通過近紅外活體成像觀察ICG的分布，結果顯示ICG在小鼠尾部的信號增強了約2倍，而不加磁場則不會影響ICG的分布，這意味著外磁場不僅可以促進MNPs富集在小鼠尾靜脈周圍，同時還可以通過MNPs給內皮細胞施加外力，導致內皮細胞間連接紊亂，血管壁通透性增強，促進大分子藥物穿過血管。

圖6. 磁力增強小鼠血管通透性，促進大分子藥物透出血管。

　　大分子藥物（如抗體、核酸類藥物）已經在臨床廣泛使用，但是對于非腫瘤類不影響血管通透性的疾病而言，大分子藥物的輸送確是難題。本文巧妙地利用磁靶向作用于細胞內MNPs、可逆地調控血管通透性，從而增強大分子藥物的定向輸送，著實解決了一大難題。同時，磁場對人體無害，不會因組織而衰減，考慮到MNPs已經在被批準用于臨床核磁共振成像造影劑、補鐵劑等，本研究提出的方法具有很好的臨床應用前景。