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上交大攻坚新冠再突破:雾化吸入微流控微球将病毒防护率可达91%

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2019 年底,突如其来的新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID - 19)给人类的生命及财产带来毁灭性的打击,笼罩在人类心中的阴霾至今仍挥之不去。

“如今,COVID - 19 仍在全球范围内持续传播,大约在 200个 国家引起超过 1.4 亿报告病例和 300 万人死亡。

虽然大多数病例症状较轻,但仍有约 15% 的患者,尤其是免疫缺陷患者,因病毒在血管内迅速扩散继而引发病毒血症等问题。”崔文国表示。


图|截至 2021 年 10 月 14 日全球累计病例确诊数据(来源:百度疫情实时大数据报告)

上海交通大学科研团队从“宿主受到病毒感染”过程得到启发,开发了一种基于微流控的水凝胶微球的吸入式气溶胶(iAE - PMS)来预防 SARS - CoV - 2 感染,iAE-PMS 对这些细胞免受病毒感染的防护活性从 9.28% 提高到 91.33%,比空白对照组有效 10 倍。

这种吸入性微球给非侵入性给药治疗严重的 SARS - CoV - 2 感染患者,提供了一种强有力的协同策略,同时这一吸入式水凝胶微球给药平台为呼吸道内靶向给药提供了广泛基础。

10 月 19 日,相关论文以《经 ACE2 改造的吸入式微流控微球可用于气管内中和 COVID - 19 并平息细胞因子风暴》(Inhaled ACE2 - engineered microfluidic microspherefor intratracheal neutralization of COVID - 19 and calming of the cytokine storm)为题发表在 Matter 上[1]。


图|相关论文(来源:Matter)

由上海交通大学医学院附属瑞金医院的再生医学材料课题组博士研究生王臻担任第一作者,崔文国教授担任通讯作者。

该研究利用基因工程化的 ACE2 受体过度表达细胞和促炎型巨噬细胞来源的细胞膜,进行双重伪装透明质酸水凝胶微球,研制了一种可吸入的工程化微流控微球气溶胶,在病毒血症发生之前,可实现捕获整个呼吸道病毒,这为新冠重症治疗提供新的治疗策略。


图|iAE - PMS 制备与表征(来源:Matter)

成功构建了 ACE2 受体,作为竞争性抑制病毒的“假靶子”

目前来说,中国主要来源于本地零散病例的出现和境外持续输入的压力。从疫情爆发以来,中国做出了有效的对策,目前国内疫苗接种率已经达到 77.6%,但全球疫情发展仍给中国带来双重挑战。

首先,鉴于 COVID - 19 感染存在潜伏期长、症状多变等特点,加之入境检疫手段较为单一,国外疫情发生率居高不下,使中国边检和防疫部门备受压力。

其次,持续的病毒变异也为疫苗研发和阻断病毒传播带来了挑战,所以医学界要不断探索切实有效的治疗方案,用于治疗严重病例,并应对疫情可能再次出现大面积爆发的情况。

作为冠状病毒感染人体的竞争性抑制剂,ACE2 蛋白无疑是有效的,然而目前大部分研究都局限于病毒感染早期重组 ACE2 蛋白的作用效果,其能否阻止晚期感染患者体内病毒进一步扩散尚不清楚。


图|吸入 ACE2 工程多孔微球抑制细胞因子风暴因子(来源:Matter)

尤其是对于病情严重的患者,不仅仅存在无法清除病毒感染的治疗困难,更面临持续的破坏性炎症反应等难题。在这种极端病理环境中,如何保证 ACE2 蛋白在体内长期保持活性也是面临的一大挑战。

因此,在严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 型(SARS - CoV - 2)的全球大流行的严峻形势下,对呼吸道病毒传染病和急性肺损伤防治提出新的要求。

受新冠病毒通过 ACE2 受体感染人体肺泡上皮细胞的启发,该团队首先对常用的工程化细胞株 HEK293 进行基因组重设计,成功构建了 ACE2 受体过表达的细胞膜伪装材料,来作为竞争性抑制病毒的“假靶子”。


图|吸入 ACE2 工程微流控微球中和 COVID - 19 的示意图(来源:Matter)

针对于新冠重症患者并发的炎症因子风暴问题,该团队提取了促炎型巨噬细胞的细胞膜,形成能够广谱吸附炎症因子的修饰膜材料。之后利用静电吸附作用,将上述伪装材料装载于超高搭载面积的疏松多孔微球中,形成了可吸入的病毒清除和炎症调节多功能气雾剂。

由于吸入颗粒物的呼吸道内分布主要取决于其空气动力学直径,是一种反映颗粒沉降速率的物理学参数。目前认为,空气动力学直径大于 10 微米的粒子主要沉积于鼻咽部和上呼吸道,而 5 - 10 微米的则分布于气管、支气管等部位,5 微米以下的则均可进入呼吸道深部。

该团队通过设计 iAE - PMS 制备过程中的流体剪切参数,使其具备较宽的尺径分布范围。此外,微米级的尺径分布更大大提高了肺部滞留量,为病毒捕获和炎症抑制提供了基础。

实现感染前呼吸道内病毒早期捕获,从而抑制病毒感染肺泡入血、避免全身播撒和有效平抑病毒血症后组织器官内无节制炎症风暴仍旧是新冠重症治疗中亟待解决的问题。

ACE2 工程微流控微球,真正实现了病毒入侵的全保护

该研究表明,呼吸道全程分布的 iAE - PMS 在不同吸入部位呈现出不同的清除机制,表现为:沉积于上呼吸道的病毒,主要被气管壁上丰富的纤毛捕获,从而通过摆动、咳嗽排出人体;沉积于下呼吸道的病毒,则被巨噬细胞吞噬后通过溶酶体途径降解。

这种特征性的清除作用,相较于已有的纳米病毒捕获制剂,根本上避免了病毒入血播散和病毒血症的形成,不仅为病毒捕获后的安全清除奠定了基础,也可以有效解决已感染患者通过上呼吸道的唾液、黏液等向环境输出大量病毒,有效降低新冠病毒的人际传播效率。

新冠病毒通过自身表面的刺突蛋白与人体广泛分布的 ACE2 受体结合,形成病毒的入侵。

可吸入病毒强效吸附微球的亮点主要集中在如下几个方面:

第一,延长了保护范围。通过设计吸入水凝胶微球的空气动力学直径分布,iAE - PMS 基本覆盖了鼻咽部、主气管、支气管以及下呼吸道等全部呼吸道部位,真正实现了病毒入侵的全保护。

第二,清除途径受到局限。吸附病毒后的高病毒载量微球被局限在呼吸道内清除,这与传统治疗方式吸附病毒后,最终经过全身循环通过肝肾清除截然不同,根本上克服了病毒播散入血的风险。

第三,使用方式简便了。相较于疫苗接种、中和抗体输注等传统方法,雾化吸入微球不仅可以实现临床一线的简便应用,更能够将预防策略沉降到居民日常生活,真正实现防患于日常。


图|可吸入微球的生物相容性表征和生物分布(来源:来源:Matter)

崔文国表示:“我想该工程化吸入微球主要实现了人体呼吸道全程的病毒入侵保护,填补了以往上呼吸道鼻咽部等预防漏洞;其次,强效粘附病毒后的高病毒载量微球,实现了呼吸道局限的降解模式,根本上避免了病毒全身播散和病毒血症的发生;第三,不仅关注新冠患者本身的病毒抑制和重症炎症因子风暴,更有效抑制感染人群向环境的病毒输出和降低了病毒人际再传播效力。

最后,这种可生物降解的吸入式水凝胶微球递送平台更为其它雾化药物提供了安全且广阔的空间,为呼吸道内其他药物靶向递送提供更有利的选择。”


图 | 崔文国(来源:崔文国)

此外,市场也在加速研发防止病毒持续扩散的疫苗,如“复必泰”作为一种新型的 mRNA 疫苗,与中国已经开放接种的疫苗相比,在保护力上比较强,也比较稳定。安全防护层面,mRNA 疫苗在表达抗原蛋白方面具有较强的屏障,既无需进入细胞核,也不会整合到人体基因组。

值得关注的是,mRNA 新冠疫苗在实际应用中还无成功案例,长期来看后顾之忧有待解决。有效性方面,有研究表明“复必泰”新冠疫苗具有很好的免疫效果,保护率达 95%。如今中国药监局就快完成对“复必泰”的审批流程,如果能够批准通过投放在中国内地市场,中国政府应对新冠病毒又多了一个强有力的武器。

目前,新冠的预防有药物和生活等多个层次的预防。药物预防方面,接种新冠疫苗为国民提供了一个比较有力的保障,但接种疫苗并不代表着就完全没有感染的风险。

将临床 - 生物 - 材料等学科完美融合,为重症新冠肺炎治疗提供新的治疗策

实验初期,在“反向竞争性抑制病毒感染”策略中,首要任务是获取 ACE2 受体表达的细胞膜。

该团队起初将目光放到了提取小鼠的原代肺泡上皮细胞。然而,实验过程中,团队人员发现正常 Ⅰ 和 Ⅱ 型肺泡上皮 ACE2 表达量不高且体外培养十分困难,因此带来了细胞膜伪装材料可得性差、产量低等问题。

随后,通过团队讨论和启发于重组蛋白的生产工艺,最终利用了可以规模化繁殖和个性化基因表达定制的工程细胞。该团队通过基因工程改造,产生 ACE2 基因过表达且可以量产化的 HEK293 细胞膜伪装材料,一举解决了天然生物膜捕获效率低和可得性、量产化问题。


图|iAE - PMS 可减轻肺损伤和肺和免疫器官的炎症反应(来源:来源:Matter)

崔文国表示:“疾病治疗过程颇具挑战,在如此复杂的研究环节中,我们仅贡献了部分研究。”

然而,我们经常局限于自己的小领域内,却忘乎了人体的整体性和疾病的综合性。我们构建的 ACE2 基因工程化的可吸入性微球呼吸道内捕获 COVID - 19 病毒和平息炎症因子风暴是将临床-生物-材料等学科进行完美的融合,为重症新冠肺炎治疗提供了新的治疗策略。

因此,我真心希望能将多学科进行融合交叉,希望生物材料能成为一个调控网络,优化疾病的治疗过程,给患者带来福音。”


图 | 崔文国(来源:崔文国)

另据悉,目前该团队正在进行基因工程表达丰度、膜提取效率、搭载效率等一系列优化,推动大规模生产和后续的临床应用开发。他们希望整个过程时间越短越好,如今瑞金医院已经建立了高效的转化医学平台,也拥有丰富完善的临床资源,崔文国也有信心在半年内完成规模化技术工艺开发建设以及临床前动物安全性评估,尽快向药品监督管理机构申报Ⅰ期临床试验。

未来,该团队将更加聚焦于先进生物技术、生物材料对临床诊疗技术的革命性改变,为人民提供更多更可靠的健康服务。

参考:

1.Wenguo Cui et al.Matter. 2022,5,1-27.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521004677?dgcid=author

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