根据弗吉尼亚大学工程与应用科学学院助手教授蔡立恒的软生物材料实验室的研究者开发的一种新型药物载体分子，可以巧妙地绕过肺部的防御，为那些面临慢性或严重呼吸系统疾病的个人带来了希望。
蔡和他的团队，包括材料科学与工程的博士候选人黄白强和生物医学工程的何志键，成功展示了纳米载体如何有效地运作，使用了实验室创新的“微型人类气道”模型，该模型模拟了人类气道的结构和生物功能。
他们的研究结果详细记录在2024年6月27日发表在美国化学会期刊《ACS Nano》上的一篇论文中。
绕过我们的保护屏障
肺部有多层防御机制，可以捕获并运输有害病原体或颗粒，远离呼吸道以保持我们健康。
这个机制在每次清理鼻子时都会运作。
“可惜的是，这些相同的保护特征也阻碍了药物到达目标细胞，复杂化了哮喘、慢性阻塞性肺疾病和肺纤维化等疾病的治疗，”黄指出。
这种新型聚合物被称为瓶刷聚乙烯醇（PEG-BB），它通过模仿粘液素——给粘液特性赋予自然糖蛋白，导航气道防御；它具有一个中央脊和向外延伸的多个毛刷的瓶刷结构。
“我们假设瓶刷载体灵活的蠕虫状设计将使其能够穿过围绕纤毛的粘液和凝胶的密集网状结构，并最终被上皮细胞吸收，药物将进入治疗所需的区域，”黄解释道。
纤毛是细胞表面上的微小毛发状突起，与粘液共同作用，以推出不必要的颗粒。
为了验证他们的理论，研究人员在他们的装置中培养了人类气道上皮细胞，并从两个不同的角度将荧光PEG-BB分子引入细胞。
他们使用一种能穿透粘液和纤毛周围的胶层（覆盖纤毛的凝胶）的特殊染料，同时避免染色上皮细胞膜，从而帮助勾勒出上皮的边界。
在黑暗环境中使用专门显微镜以增强图像清晰度，他们观察了发光的瓶刷分子如何高效地穿越细胞。
一系列近期成就
“微型人类气道实质上为细胞提供了一个安全的生长环境，”黄说道。
“它的生物相似性使我们能够在不伤害活体生物的情况下研究人类肺部的防御机制，”蔡补充道，强调了实验室专注于为多种应用创建创新瓶刷聚合物的工作，许多正在推进精准医学的前沿。
值得注意的是，他的生物打印计划最近制作了可能是按需组织打印的第一个3D组件。此外，他还获得了来自国家卫生研究院的190万美元最大研究者奖，这是他职业生涯上又一个里程碑。
PEG-BB的发现标志着实验室的又一次成功。
“我们相信这一创新不仅承诺为肺部疾病提供更少副作用的增强治疗，而且还为解决影响全身粘膜表面的疾病铺平了道路，”蔡表示。
实验室的下一阶段是检查PEG-BB跨越粘液屏障运输药物分子的能力，利用体外和体内小鼠实验。
发表
标题为《瓶刷聚乙烯醇纳米载体通过分子结构增强的内吞作用跨越人类气道上皮》的论文于2024年6月27日发表在《ACS Nano》上。
这项研究得到了多个来源的支持，包括国家科学基金会、弗吉尼亚大学糖尿病启动基金、弗吉尼亚大学库尔特转化研究中心、儿童糖尿病研究基金会、弗吉尼亚州公共卫生研究委员会和弗吉尼亚大学先进生物制造中心。
