如何设计用于细胞治疗的药物递送系统
细胞治疗药物递送系统
细胞疗法，如免疫细胞和干细胞疗法，正被广泛用于治疗各种疾病，但常常受到低效性和安全性问题的限制。在纳米尺度、微米尺度和宏观尺度上设计的药物递送系统可以通过优化药物动力学、细胞功能和细胞活力，以及通过防止细胞耗竭和免疫原性来改善细胞疗法。
近期，哈佛大学的Samir Mitragotri团队在期刊《Nature reviews bioengineering》发表了题为“Designing drug delivery systems for cell therapy”的综述文章，综述了在不同尺度上工程化设计药物递送系统以改善治疗性细胞的生物功能，调节组织环境以促进治疗性细胞的生存和效能，实现转移细胞靶向递送治疗剂，并为体内细胞提供保护性屏障。本文进一步概述了与药物递送系统集成的细胞疗法临床转化的关键里程碑，并强调了制造挑战。
【本文要点】
（1）将药物递送系统与细胞疗法相结合，可以提高细胞治疗的精确度、最小化副作用并促进治疗性细胞的功能。
（2）药物递送系统可以被设计用来调节转移细胞的功能、影响周围组织以及保护细胞免受体内不利条件的影响。
（3）在制定药物递送系统的配方时需要考虑的因素包括治疗性细胞类型、目标组织或器官、治疗剂的性质以及期望的释放动力学。
（4）可以设计纳米尺度、微米尺度和宏观尺度的药物递送平台，以改善细胞存活、功能和靶向递送。
【自体细胞治疗的挑战】
尽管在细胞疗法的开发方面取得了重大进展，但一系列共同的挑战依然存在。例如，基于T细胞的疗法，如嵌合抗原受体（CAR）-T细胞疗法，在治疗某些血液癌症方面已显示出临床成功。然而，它们的有效性和安全性应进一步提高，特别是注入的T细胞的持久性和功能性有限。调节性T（Treg）细胞因其能够调节免疫系统的能力，正在被探索用于治疗自身免疫性疾病并预防器官移植排斥。然而，精确操纵它们并确保其在患者体内的持续存在和功能仍然具有挑战性。自然杀伤细胞是先天免疫系统的一部分，能够在没有先前致敏的情况下消除癌细胞和病毒感染细胞。因此，已经研究了自然杀伤细胞来治疗癌症，其优势是不会引起与CAR-T细胞疗法相关的严重副作用。尽管如此，与T细胞类似，有效地在体外扩增自然杀伤细胞并在体内保持其治疗功能仍然很困难。此外，自然杀伤细胞治疗需要全身给药刺激性细胞因子。基于巨噬细胞的疗法在组织修复和癌症治疗中显示出潜力，但在治疗环境中控制巨噬细胞极化和行为仍然复杂，担心意外后果，如促进肿瘤生长或加剧炎症反应。
【细胞治疗的药物递送平台】
药物递送技术可以应用于增强细胞疗法的有效性，通过微调治疗性细胞的生物功能、保护它们免受潜在伤害，并扩展它们作为针对性递送导航器的用途。在基于T细胞的疗法方面，药物递送系统可以调节细胞运输、遗传修饰T细胞、增强T细胞激活和耐力，并使T细胞能够运送至受影响部位以重塑疾病微环境。此外，药物递送系统可以通过增强细胞激活（无需共给药刺激性细胞因子）以及提高自然杀伤细胞在体外扩增的效率来增强自然杀伤细胞疗法。药物递送系统还可以调节释放免疫调节因子，以引导巨噬细胞极化朝向期望的表型和功能，同时最小化不良炎症反应或组织损伤。由于巨噬细胞具有固有的归巢能力，可克服体内的生物屏障，因此也可以作为靶向递送的载体。红细胞（RBCs），在治疗血液学疾病方面有着悠久的历史，可以与药物递送系统集成用于组织特异性药物递送，这种方法已达到临床应用。此外，对于干细胞移植和β细胞疗法，药物递送系统可以创造保护性微环境，保护移植细胞免受宿主免疫系统的伤害，并促进提供必要的生物分子，确保这些细胞的长期存活和最佳功能。
【调节细胞功能的药物递送系统】
自体细胞疗法的一个关键挑战是转移后丢失必要的治疗性细胞功能的风险。药物递送系统通过结合药物或生物货物作为辅助药物，可以精确控制并增强体内自体转移细胞的生物功能（图1a）。重要的是，药物递送平台的设计和尺度长度会影响制剂、治疗效果以及潜在应用的范围。
细胞因子通常通过与治疗性细胞共同给药来增强细胞潜能；然而，系统性细胞因子递送可能会引起不良效应。刺激响应性“无载体”蛋白质纳米凝胶可以解决这些缺点；例如，通过二硫键含有的双N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）交联剂（NHS-SS-NHS）交联IL-15Sa蛋白合成的纳米凝胶可以用抗CD45抗体和聚乙二醇-b-聚（L-赖氨酸）（PEG-PLL）装饰，然后与pmel-1 CD8+ T细胞结合（图1b）。抗CD45涂层允许与T细胞上的特定配体结合，并将纳米凝胶保留在细胞表面。此外，PEG-PLL促进了与细胞的静电关联。值得注意的是，还允许纳米凝胶附着到细胞表面的硫醇-马来酰亚胺点击反应，导致纳米凝胶通过细胞表面细胞因子受体快速内化到细胞中；因此，这种化学方法没有被用于纳米凝胶的结合。研究表明：通过氧化还原敏感机制实现组织特异性释放IL-15Sa，该机制由抗原识别后细胞表面增加的氧化还原活性触发，以及在小鼠黑色素瘤模型中的肿瘤和肿瘤引流淋巴结中T细胞受体（TCR）介导的T细胞激活。重要的是，这种方法使得细胞因子的安全递送剂量至少比通过游离细胞因子注射可实现的剂量高出八倍，而不会引起毒性。
图1 调节转移细胞生物功能的药物递送系统
【调节周围组织的药物递送】
细胞可以被用作载体，将货物递送到特定位置并通过影响周围组织来发挥治疗功能（图2a）。货物通常被配制成不同形状的纳米或微米级颗粒，这些颗粒可以与载体细胞整合并一同给药。重要的是，载药颗粒的设计和大小决定了制剂、治疗潜力和应用范围。载有药物的纳米颗粒可以通过细胞表面附着或细胞内化与细胞整合。这种纳米颗粒工程化的细胞可以利用宿主细胞的归巢功能，因此可以充当“特洛伊木马”在局部释放治疗剂，从而最小化系统性毒性并减少免疫系统清除。
载有药物的纳米颗粒可以通过细胞吞噬作用、快速内吞蛋白介导的内吞作用和微胞饮作用等过程被包裹到细胞中，从而在体内将它们与细胞外环境隔离，最小化系统性副作用，减少免疫清除并改善药物动力学。这些细胞内化的药物储存库，借助载体细胞，可以跨越生物屏障，定位到原本无法到达的区域和/或释放治疗剂以影响周围组织并局部治疗疾病。利用它们固有的吞噬作用和组织归巢功能，免疫细胞已被探索用于递送内化的纳米颗粒；例如，巨噬细胞可以作为靶向纳米颗粒递送的“特洛伊木马”，用于治疗人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）感染或肿瘤。它们的吞噬能力使得能够有效摄取纳米颗粒，并且通常在炎症部位的趋化因子引导下向特定组织迁移。例如，静脉注射的装载有脂质体阿霉素的巨噬细胞会迁移到肿瘤部位，在那里它们在各种小鼠模型中抑制肿瘤生长。中性粒细胞也向炎症部位迁移，这可以被用来递送和释放用于治疗手术切除后的恶性胶质瘤的脂质体紫杉醇至小鼠大脑中。此外，携带载药PLGA纳米颗粒的中性粒细胞可以穿过骨髓-血液屏障并将药物递送到骨髓中——例如，用于治疗骨转移和骨质疏松症。此外，其他免疫细胞，如T细胞和单核细胞，已被尝试用于治疗骨髓炎和肿瘤的纳米颗粒递送。
图2 调节转移细胞周围组织的货物递送系统
【保护体内治疗性细胞】
细胞疗法的有效性可能会受到环境影响、宿主识别和随后的异物反应的影响。生物材料可以用来保护治疗性细胞免受化学和生物化学环境的影响，从而避免免疫细胞的识别和清除，并维持它们的活力和功能（图3a）。
细胞疗法的有效性可能会受到环境影响、宿主识别以及随后的异物反应的损害。生物材料可以用来保护治疗性细胞免受化学和生物化学环境的影响，避免免疫细胞的识别和清除，并维持它们的活力和功能（图3a）。细胞可以用聚合物或纳米材料涂覆，以形成保护层，提高它们的存活率和效能。聚合物和纳米材料可以直接嫁接到细胞表面，或者通过原位聚合和交联实现。直接接枝可以通过与固有的胺基和硫醇基团进行共价反应来实现，或者通过在细胞膜上添加非天然官能团（例如，酮和叠氮化物）来实现。另外，非共价相互作用（如氢键和脂质或烷基链的细胞膜插入）也允许直接接枝。这些策略可以应用于将材料稳定地附着到细胞表面，以保护细胞免受环境损害，并防止它们的免疫识别和排斥。例如，通过氰尿酰氯偶联将甲氧基聚乙二醇（mPEG）修饰到红细胞（RBC）表面，可以掩盖RBC的表面抗原，并促进异种细胞的存活。此外，灵活且水合的mPEG链在细胞周围形成立体排除体积，阻止生物大分子（如抗体）和其他细胞的结合。mPEG涂覆的RBCs进一步减少了它们的聚集和主要（ABO）及次要（Rh和MNS）抗原的反应性，同时不影响RBCs的形态、结构和功能。此外，经mPEG修饰的绵羊RBCs在被人外周血单核细胞吞噬方面表现出显著减少的现象，并且当输给小鼠时，与未经修饰的RBCs相比，它们的生存时间提高了360倍。
原位聚合和交联使得能够在细胞表面固定聚合物网络，这可以作为保护层来保护细胞免受微环境和宿主免疫系统的影响。例如，胃肠道中的条件，如胃液、胆盐和消化酶的存在，可能会对口服给药后的益生菌的存活率产生负面影响。通过在细胞兼容条件下在细菌表面聚合多巴胺，以及共沉积功能分子（图3b），可以保护细菌。聚多巴胺表面修饰显著提高了封装细胞对胃酸和胆盐的抵抗力，促进了它们在小鼠胃和肠道中的生存。此外，它们增强的口服生物利用度和在炎症肠组织的积累提高了它们在小鼠结肠炎模型中的治疗效果，超过了一线药物氨基水杨酸的效果。而且，神经干细胞（NSCs）可以通过生物启发的矿化作用涂覆氢键有机框架，以保持NSC干性和防止注射器针头造成的细胞膜损伤。然而，原位聚合和交联方法需要与活细胞兼容的制造方法，这限制了材料选择。此外，纳米级壳层的形成，特别是不可降解涂层，可能会阻碍细胞分裂。
图3 保护治疗性细胞的药物递送技术
【总结与展望】
药物递送系统与细胞疗法的结合可能会提高治疗性细胞治疗的有效性和安全性。开发智能集成方法、新的生物材料可用于细胞封装、表面修饰策略以及能够响应身体变化条件的自适应药物递送系统，可能会进一步推进细胞疗法与药物递送平台的结合。
然而，此类混合系统的临床应用将需要扩大药物递送系统的生产规模，包括优化生产过程和自动化以确保在大规模生产中保持一致的质量、有效性和安全性。生产技术，如微流控和3D打印，可能使药物递送设备的高效生产成为可能，这些设备具有定制设计和对参数（如大小、形状、表面电荷和载药效率）的精确控制。此外，选择材料时应该考虑到成本效益和法规遵从性，结合改善稳定性和延长保质期的配方，以简化运输和存储。扩大生产还需要严格的质量控制和遵守良好生产规范的监管指导方针，确保每批产品通过严格的验证和表征达到纯度、效力和安全标准。
此外，基于生物材料的药物递送系统可能有助于扩大高质量治疗性细胞产品的规模，以满足临床需求。通过创建仿生环境，生物材料可以促进细胞增殖并保留所需的细胞表型。例如，由天然（如胶原蛋白、明胶）或合成材料（如合成肽、聚苯乙烯）制成的三维基质，具有相互连接的网络和多孔结构，允许营养物和氧气扩散，从而增加体外细胞增殖率。由脂质双层涂覆的介孔二氧化硅微棒组成的三维支架可以呈现膜结合和可溶性旁分泌线索给T细胞，以激活TCR和共刺激。模仿抗原呈递细胞，这些支架促进了T细胞的扩张。除了实现大规模扩张外，基于生物材料的药物递送系统还有可能简化治疗性细胞制造的整个过程，包括细胞分离和纯化、基因组修改、低温保存和运输。这样的进步可能会使细胞疗法更加普及。
在个性化和精准医学领域，药物递送系统可能允许根据患者遗传学、疾病状况和微环境定制细胞疗法。例如，细胞疗法可以与响应特定生物线索的药物递送系统集成，以提高靶向准确性，减少脱靶效应并提高有效性。此外，药物递送系统可以通过模块化方法在生产过程中集成到细胞疗法中。
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