王 熠 综述 葛永纯 审校

DOI：10.3969/j.issn.1006-298X.2025.05.012

[基金项目] 江苏省卫生健康委医学科研重点项目(K2024051)

[作者单位] 南京中医药大学金陵临床医学院(东部战区总医院) 硕士研究生(王 熠) 国家肾脏疾病临床医学研究中心 (南京,210016)

摘 要 急性肾损伤(AKI)是一种常见的临床症候,表现为肾功能在短时间内急剧下降,AKI的发生往往伴随炎症反应、氧化应激和细胞凋亡等一系列病理过程。尽管现有的治疗方法有一定的疗效,但由于早期诊断困难且治疗手段有限,AKI的发病率和致死率仍然较高。近年来,纳米材料的进展为AKI的治疗提供了新思路,药物通过纳米材料载体实现靶向递送,增强药物的生物利用度并减小不良反应。本文综述了纳米材料靶向递送药物治疗AKI的研究进展,重点介绍AKI纳米药物治疗的临床前研究现状。

关键词 急性肾损伤  纳米颗粒  靶向治疗  药物递送

Advances of nanomedicine targeted therapy for acute kidney injury

WANG Yi, GE Yongchun

National Clinical Research Center for Kidney Diseases, Jinling Hospital, Jinling Clinical Medical College, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210016, China

ABSTRACT Acute kidney injury (AKI) is a common clinical symptom characterized by a sharp decline in renal function in a short period of time, and the occurrence of acute kidney injury is often accompanied by a series of pathological processes such as inflammatory response, oxidative stress and apoptosis. Despite the efficacy of existing treatments, the incidence and mortality of acute kidney injury are still high due to the difficulty of early diagnosis and limited treatment methods. In recent years, advances in nanomaterials have provided new ideas for the treatment of acute kidney injury, with targeted delivery of drugs through nanomaterial carriers, which enhanced drug bioavailability and reduced side effects. This paper reviews the research progress of nanomaterials for targeted drug delivery in the treatment of acute kidney injury, focusing on the current status of preclinical research on nanomedicine therapy for acute kidney injury.

Key words acute kidney injury   nanoparticles   targeted therapy   drug delivery

急性肾损伤(AKI)是指由各种致病因素引起短时间内肾功能急速减退而导致的临床症候[1],重症AKI患者可持续较长时间,甚至并发其他疾病,或进展至慢性肾脏病(CKD)[2]。据估计,全球每年有200万人死于AKI,AKI幸存者罹患终末期肾病(ESKD) 的风险也会增加[3]。

在持续缺血或暴露于肾毒性因素时,肾小管上皮细胞和肾血管内皮细胞最易受累,且在AKI早期即可受损,有效抑制这些固有细胞的损伤,促进损伤修复,是AKI治疗的重点[1],但目前缺乏特异性靶向损伤细胞的治疗手段。AKI的治疗方法包括药物、肾脏替代治疗等,都存在明显局限性。药物治疗方面缺乏直接针对AKI病理生理过程(如炎症和纤维化)的特效药物,临床常规治疗多为对症支持治疗。纳米材料载药技术可克服传统疗法的局限性,根据不同患者的疾病特点,向肾脏固有细胞进行特异性靶向药物递送,从而实现精准个体化治疗,具有广阔的应用前景[4]。本文就纳米材料靶向递送药物治疗AKI的研究进展作一综述,重点介绍纳米药物治疗AKI临床前研究的最新进展。

纳米材料递送药物治疗的靶向机制

肾小球毛细血管内皮细胞、肾小管上皮细胞是目前纳米材料靶向递送药物治疗AKI的常用靶点,其中近端小管上皮细胞(RTEC)是首选靶点。RTEC是肾脏代谢最旺盛的细胞之一,依赖线粒体氧化磷酸化生成ATP以维持重吸收和分泌功能,高代谢需求使其对缺血和氧化应激极度敏感[5]。

纳米药物从入球小动脉进入肾小球后,可在肾单位的多个部位沉积,包括肾小球系膜细胞表面、系膜细胞外基质、肾小球基膜(GBM)、足细胞间隙、近端和远端肾小管管腔及肾小管间质等[6]。纳米药物的物理性质(如大小、形状、表面电荷等)决定其在肾脏的沉积和发挥作用的位点。纳米药物治疗肾脏疾病的靶向机制分为被动靶向和主动靶向。

被动靶向 被动靶向是利用自然生物分布将纳米药物导向靶点。调节纳米药物的物理化学性质(如分子大小、电荷和形状)可避免其被代谢、排泄、吞噬,从而延长体循环时间。纳米药物穿过肾小球滤过屏障(GFB)的阈值为6～10 nm,分子量阈值为30～50 kD。通常情况下,直径<10 nm的纳米药物可自由通过GFB进入肾小管,而粒径为10～200 nm的纳米药物可能会滞留于足细胞足突或GBM的开孔处[7],但在受损肾脏,GFB间隙增加,纳米药物通过的粒径阈值随之增加。发生AKI时,肾小球内皮细胞和足细胞结构被破坏,GFB的结构和通透性显著改变,从而允许大于滤过阈值的纳米颗粒通过[8]。纳米药物在肾脏中的运输也受其表面电荷的影响,由于内皮糖萼、GBM中的阴离子蛋白聚糖和带负电荷的足细胞蛋白会产生强大的负性屏障,因此,滤过屏障对带负电荷的粒子具有很强的排斥力,带正电的纳米药物更容易通过GFB。除了分子大小和电荷,纳米药物的形状也会影响其生物分布。研究表明,盘状或棒状纳米颗粒通常比球形颗粒具有更长的血液循环半衰期[9]。

主动靶向 通过在纳米材料表面引入特定的官能团或生物活性分子,如肾小管上皮细胞的受体配体,使纳米药物表现出更强的亲和力和靶向能力。这些官能团或生物活性分子主要包括肽和抗体。与被动靶向相比,主动靶向可使纳米药物在靶组织内蓄积,脱靶毒性更低。用纳米材料主动靶向肾脏有望实现更精确的药物输送和治疗,增强药物疗效,减少对其他组织的不良影响。主动靶向治疗AKI可将纳米药物递送至RTEC,megalin和cubilin蛋白是RTEC顶端膜介导物质重吸收的主要糖蛋白受体,是实现纳米药物主动靶向RTEC的核心靶点[10],目前已开发多种靶向配体,包括多肽、有机小分子和抗体等,广泛应用的靶向肽包括半乳糖凝集素3靶向结合肽(G3-C12)、弹性蛋白样多肽(ELP)和多聚赖氨酸-谷氨酸重复序列肽[(KKEEE)3K]等,可特异性结合RTEC表面的受体或膜蛋白,增强纳米颗粒在损伤部位的富集[7]。此外,肾脏损伤分子1(KIM-1)在AKI发生时由受损的RTEC特异性高表达,而在正常肾小管上皮细胞中表达极低或不表达,因此KIM-1也是实现选择性靶向损伤RTEC的重要受体。

纳米载体材料与递送药物的适配性

不同性质的药物需要匹配不同特性的纳米载体材料,以实现最佳递送效果。

亲水性药物 适合装载于具有亲水内核的载体,如脂质体的水性核心、纳米凝胶的亲水网络或树状大分子的内部空腔。例如,核酸类药物常利用带正电的树状大分子或脂质体形成复合物进行递送[11]。

疏水性药物 适合包裹在载体的疏水区域,如脂质体的脂质双分子层、聚合物胶束的疏水内核或某些纳米颗粒的疏水基质中。姜黄素、槲皮素等常采用胶束或脂质体递送[12]。

生物大分子药物 如蛋白质、抗体或核酸,需要载体提供保护以免受降解,脂质体、纳米凝胶因其良好的包封和保护能力成为常用选择[13-14]。

具有特定作用机制的药物 如需要靶向线粒体的药物,可选用修饰线粒体靶向基团的脂质体[15];需要响应微环境释放的药物,则可选用具有相应响应性的载体材料(如含二硫键聚合物、pH敏感材料)[16-18]。

纳米材料在AKI治疗中的应用

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1～100 nm)的材料,具有小尺寸效应、量子效应、表面效应和边界效应[19]。体外研究和动物模型试验已证明了多种纳米载体的功效,包括纳米颗粒、纳米凝胶、脂质体、胶束、树状聚合物等(表1)。

表1  六种纳米药物的简介

AKI:急性肾损伤;NF-κB:核因子κB;Nrf2:核因子相关因子2;IRI:缺氧再灌注损伤;TNF-α:肿瘤坏死因子α;NO:一氧化氮

纳米颗粒 纳米颗粒大小为1～100 nm。有机纳米颗粒由蛋白质、脂质、聚合物等组成,通常无毒且可生物降解。有机纳米颗粒通常通过氢键、范德华力、π-π堆积等非共价键自组装形成,其性质易变,易通过降解、肾脏滤过、肝胆排泄、淋巴通路等途径从体内清除[23]。碳基纳米粒子完全由碳原子构成,如富勒烯、碳纳米管等[24]。纳米颗粒递送药物在AKI治疗领域已显示出良好应用前景。

铂基纳米颗粒 Jiang等[16]通过铂基纳米颗粒与Na2S的反应设计了一种超小型铂硫簇(Pt5.65S),为酸性环境可激活的前纳米酶,可广谱清除活性氧/活性氮(ROS/RNS)。该前纳米酶在炎症微环境中模拟超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT),发挥抗氧化作用。前纳米酶在体外显著上调谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4) mRNA的表达,提高还原性谷胱甘肽(GSH)与氧化谷胱甘肽(GSSG)的比例,显著提高顺铂(CDDP)诱导的AKI小鼠模型的疗效。Deng等[17]开发了一种由包裹在巨噬细胞膜(MM)中的ROS响应性铂纳米酶簇(PtNC)组成的仿生纳米系统(MM-PtNC)。PtNC由超小铂纳米颗粒通过可被ROS裂解的硫缩酮连接体连接而成。保留MM表面的炎症细胞因子受体使该仿生纳米系统能够靶向肾脏炎症损伤部位,中和促炎细胞因子以改善炎症损伤。PtNC具有类似CAT的活性,可清除ROS并调节受损细胞和组织中的氧化应激状态。在AKI高水平ROS环境下,它可响应性解离成超小铂纳米颗粒以清除ROS,并最终通过肾脏滤过系统排出体外。PtNC具有优异抗氧化活性、响应性降解和炎症中和能力,在AKI小鼠模型中,注射MM-PtNC可显著减轻肾脏损伤并恢复肾功能。

金/碳基纳米颗粒 Zhang等[25]开发了以金纳米颗粒为载体递送N-乙酰半胱氨酸的超小型金纳米团簇(1～2 nm),是基于纳米酶的抗氧化系统。Yao等[20]报道了具有抗氧化能力的超小碳点(CD)与没食子酸(GA)结合,形成CD-GA纳米颗粒的开发情况,其具有出色的生物相容性,不仅能有效消除ROS,缓解氧化应激,还能抑制核因子κB(NF-κB)信号通路激活,减少炎症因子释放,且无需复杂靶向策略即可在肾脏组织中富集。CD-GA纳米颗粒能显著降低CDDP诱导小鼠AKI的发生率,疗效优于小分子药物 N-乙酰半胱氨酸。硒(Se)是一种必需微量元素,具有抗氧化特性,通过促进ROS清除来增强CD抗氧化应激能力。Li等[18]合成了齐留通硒掺杂碳点(Zt-SeCD),可有效递送齐留通。该研究结果表明,Zt-SeCD具有良好生物相容性、安全性和抗氧化性能,显著激活腺苷单磷酸活化蛋白激酶/叉头转录因子1(AMPK/FoxO1)通路,从而促进抗氧化基因和铁死亡相关保护基因的表达。齐留通和硒掺杂碳点利用N羟基琥珀酰亚胺(NHS)-酮缩硫醇(TK)-NHS偶联,TK连接子的引入使Zt-SeCD具有ROS响应性,在高ROS环境下裂解,促进齐留通精准释放。

其他功能性纳米颗粒 Zhao等[21]设计了L-丝氨酸修饰的胶束纳米系统,胶束内包覆姜黄素和槲皮素。在CDDP诱导的AKI模型中,该纳米系统通过干扰 NF-κB 和核因子相关因子2(Nrf2)通路抑制炎症反应,保护线粒体结构并改善肾功能。Kong等[26]开发了一种没食子酸-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)纳米粒子,它具有超小尺寸和pH响应性,能穿过GFB到达损伤的肾小管,将NAD+有效输送到RTEC,并在肾脏有效蓄积,通过 NAD+-Sirtuin-1轴恢复AKI小鼠的肾功能。

脂质体 脂质体是一种基于脂质的球形囊泡系统,由生物相容性脂质膜包裹,含有水性核心,可将药物包封在类脂质双分子层内[27]。在癌症治疗领域,已有多种采用脂质体技术的纳米药物上市,如柔红霉素脂质体(DaunoXome®)。

脂质体可保护药物不在体内降解,控制药物释放,改变药物生物分布,提高其生物利用度。基于脂质体的给药系统可保护抗原(肽、蛋白质和核酸)不受破坏,将其输送到抗原呈递细胞,刺激保护性免疫反应,适用于传统小分子药物和核酸类药物递送[11]。

脂质体已在AKI靶向治疗领域取得了突破性进展,Zhang等[15]开发了基于三苯基膦(TPP)的新型天然青蒿琥酯(ATS)纳米脂质体(T-A-L)。T-A-L具有良好的抗氧化性和线粒体靶向性,可改善CDDP诱导AKI小鼠的肾功能,改善受损细胞线粒体功能。T-A-L下调晚期糖基化终产物(RAGE)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达,并上调Nrf2和血红素加氧酶1(HO-1)的表达,从而抑制炎症、减轻氧化应激损伤。Huang等[12]研制了透明质酸包覆脂质体的纳米复合物,透明质酸脂质体(HALP)由负载姜黄素的脂质体与透明质酸通过静电作用自组装而成,在酸性微环境中释放姜黄素,从而治疗AKI。HALP具有良好的稳定性和生物相容性。体内体外实验结果均表明,与不包覆透明质酸的脂质体相比,HALP具有更高的抗炎抗氧化和抗细胞凋亡能力[12]。

纳米凝胶 纳米凝胶是一种柔性多功能生物材料,与水凝胶相比,纳米凝胶因尺寸更小而具有更多优势,其表面积大、血液循环时间长、药物靶向性更强[14]。纳米凝胶可由天然聚合物、合成聚合物组成,常用天然聚合物主要包括蛋白质(如胶原蛋白、白蛋白)和多糖(如透明质酸、壳聚糖)。常用的合成聚合物包括聚乳酸-乙醇酸(PLGA)、聚乙二醇(PEG)等。纳米凝胶具有高药物包封效率和载药率,可携带亲水及疏水性药物。纳米凝胶的生物分布和体内代谢与其结构和理化性质密切相关。

在AKI靶向治疗领域,纳米凝胶也展现出应用潜力。Liu等[13]开发了一种自组装肽/肝素(SAP/Hep)水凝胶,同时递送抗肿瘤坏死因子α(TNF-α)中和抗体和肝细胞生长因子(HGF)。SAP/Hep水凝胶促进抗TNF-α中和抗体的快速释放和HGF的持续释放,两种药物在释放后仍保持其生物活性。两种药物联合释放发挥抗炎、抗凋亡和促增殖作用,比单药释放具有更好的肾脏保护效果。Liu等[28]从人胎盘间充质干细胞(hP-MSC-EV)中分离出细胞外囊泡(EV),将其包裹在胶原蛋白基质中,显著提高EV的稳定性,促进EV持续释放。胶原蛋白基质显著促进AKI患者肾小管上皮细胞的增殖,通过血管生成、纤维化、细胞凋亡等多方位分析发现,胶原基质可进一步增强 hP-MSC-EV的疗效。

树状聚合物 树状聚合物是一种径向对称分子,呈辐射结构,有典型对称核心、内壳体和外壳,其具有多价性、化学稳定性、低细胞毒性和可溶性等生物特性,使树枝状聚合物成为药物和基因递送的理想选择。研究者可据需要调整其大小、形状和表面电荷,实现细胞膜穿透,与DNA形成复合物[29]。VivaGel©是首个实现商业化的树状聚合物,用于细菌性阴道炎治疗。一氧化氮(NO)缺乏在肾脏缺血再灌注损伤(IRI)中发挥作用,因此向肾脏靶向递送NO有望预防IRI。Katsumi等[22]开发了一种经S-亚硝基化L-丝氨酸修饰的聚酰胺树状聚合物(SNO-Ser-PAMAM),其中多个S-亚硝基硫醇(NO供体)与L-丝氨酸修饰的树状聚合物共价结合,作为肾脏靶向NO供体。在小鼠IRI模型中,静脉注射SNO-Ser-PAMAM,可特异性分布到肾皮质,能有效降低血清肌酐。结果表明,SNO-Ser-PAMAM 是一种很有前景的肾脏靶向NO供体,可有效预防IRI从而治疗AKI。

纳米药物的生物相容性及安全性

近年来,纳米材料在肾脏靶向药物递送中展现出巨大潜力,但其生物相容性和安全性仍是临床转化的关键。大多数用于肾脏靶向的纳米载体(如纳米颗粒、脂质体、胶束)具有良好的生物相容性,其代谢产物可通过肾脏或肝胆系统排出。然而,某些含金属纳米材料(如氧化钴)可能存在长期蓄积风险,需通过表面修饰改善排泄特性。提升安全性的策略包括以下几点。

表面修饰 PEG修饰、肽链修饰或生物膜包裹可显著降低免疫原性并提高靶向性。例如,肾小管上皮细胞膜包裹的仿生纳米颗粒KMZ@FGF21[30],在脓毒症AKI模型中显示出优异的肾脏靶向性和安全性。

刺激响应性设计 使纳米载体仅在病变部位(如高ROS、高GSH、酸性环境)特异性释放药物,减少对正常组织的毒性,一种富含二硫键骨架的多孔硅基纳米载体[31]能在AKI早期的高GSH环境中解体并释放药物,实现精准治疗。

材料选择与优化 优先选择生物可降解、生物相容性好的材料(如特定聚合物、脂质),并优化尺寸和表面电荷以促进清除。

小结:AKI传统药物疗法面临生物利用度低、靶向性差和全身不良反应等多重困境,纳米载体不仅能提高肾脏靶向性还能显著提高药物稳定性,保护活性成分免受体内复杂环境的影响。控释特性是纳米载体的另一重要优势,可实现药物的持续可控释放,维持治疗窗内有效浓度。纳米技术的发展为AKI的精准靶向治疗提供了更多策略,在临床前研究方面取得了丰硕的成果,但在临床转化方面仍存在诸多挑战,如纳米颗粒合成一致性不足、规模化生产困难、体内蛋白冠干扰靶向效率、缺乏精准模拟人类疾病的动物模型等。未来需多学科交叉协作优化载体设计,开发动态响应性智能递送系统,构建更贴近临床的疾病模型,从而有效提高药物靶向递送效率,增强肾脏保护作用,降低全身毒性,实现AKI的精准个性化治疗。

参考文献

[引用本文]王熠、葛永纯. 纳米材料靶向递送药物治疗急性肾损伤的研究进展[J]. 肾脏病与透析肾移植杂志, 2025, 34(5): 458-463.

WANG Yi, GE Yongchun. Advances of nanomedicine targeted therapy for acute kidney injury[J]. Chinese Journal of Nephrology, Dialysis & Transplantation, 2025, 34(5): 458-463.