肺部疾病研究中不可或缺的科研仪器及解决方案介绍

特发性肺纤维化（Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF）是一种慢性、不可逆的肺部疾病，以肺部炎症反应、成纤维细胞过度增殖和细胞外基质异常积聚为特征，导致肺部弹性增加、呼吸困难和肺功能衰竭。目前IPF的治疗选择有限，主要通过口服给药，其中抗纤维化药物吡非尼酮（Pirfenidone, PFD）虽能改善肺功能和患者生活质量，但高剂量和严重的副作用（如消化不良和光毒性）限制了其临床应用。因此，开发更有效的IPF治疗方案是当前的研究重点。
四川大学华西医院/华西口腔医院科研团队在ACS Nano（SCI 1区 、影响因子:15.8）2024, 18, 26704−26721发表题为 《Tetrahedral Framework Nucleic Acids Delivery of Pirfenidone for Anti-Inflammatory and Antioxidative Effects to Treat Idiopathic Pulmonary Fibrosis》
在本文的体内实验部分，该团队构建了博莱霉素（BLM）诱导的小鼠肺纤维化模型，使用北京元森凯德生物技术有限公司研制生产的动物雾化吸入给药仪器，将PFD-tFNA复合物（Pt）直接雾化至小鼠肺部，确保了药物在病变部位的高浓度均匀性分布。
本文重点研究思路如下：
1.问题的提出
特发性肺纤维化（IPF）是一种致命的慢性肺部疾病，其特征是肺组织的异常修复和纤维化。目前，IPF的治疗选择有限，主要依赖于口服药物吡非尼酮（PFD）。尽管PFD能够延缓疾病进展并改善肺功能，但其临床应用受到以下限制：因此，开发一种能够提高PFD在肺部局部浓度、减少全身分布的递送系统，对于改善IPF治疗效果至关重要。
2.选择理想的药物递送载体
为了克服PFD的递送问题，研究团队选择了**四面体框架核酸（Tetrahedral Framework Nucleic Acids, tFNA）**作为药物载体。tFNA是一种具有以下优势的纳米结构：
3.构建PFD-tFNA复合物（Pt）
研究团队通过以下步骤构建了PFD-tFNA复合物（Pt）：
4.体外实验验证Pt的细胞摄取和生物活性
在体外实验中，研究团队使用了两种细胞模型：实验结果表明：
5.体内实验验证Pt的治疗效果和安全性
在体内实验中，研究团队使用了博莱霉素（BLM）诱导的小鼠肺纤维化模型，通过以下步骤验证了Pt的疗效：
6.作用机制探索
研究团队进一步探讨了Pt的作用机制，发现Pt通过以下途径发挥抗纤维化效果：
四面体框架核酸（Tetrahedral Framework Nucleic Acids, tFNA）作为药物载体，通过微量精准雾化技术，药物以雾化形式进入肺部，增加了药物与肺组织的接触面积，提高了药物的吸收效率。该仪器操作简单，易于掌握，适合在动物实验中进行重复给药操作。
北京元森凯德生物技术有限公司研制生产的动物雾化吸入给药仪器，主要包括大/小动物肺部气管直接递送装置、动物口鼻吸入、仅鼻腔给药、全身式暴露染毒、动物烟气/PM2.5染毒系统、粉尘气溶胶发生器、臭氧动物暴露装置、动物高低压氧舱等：
1. 精准递送：能够将药物精确地递送至小鼠肺部，确保药物直接作用于病变部位，提高了药物的局部浓度，减少了药物的全身分布。
2. 高效吸入：通过精准微雾化技术，药物以雾化形式进入肺部，增加了药物与肺组织的接触面积，提高了药物的吸收效率。
3. 操作简便：该仪器操作简单，易于掌握，适合在动物实验中进行重复给药操作。
4. 科研应用广泛：不仅适用于IPF的研究，还可用于其他肺部疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺病等）的药物递送研究，为肺部疾病的基础研究和药物开发提供了有力工具。
5. 临床转化潜力：该仪器的雾化技术与临床雾化吸入治疗相似，研究成果有望直接转化为临床应用，为开发新型肺部疾病治疗方案提供技术支持。
6. 提高实验效率：相比传统的口服给药或气管滴注，能够更快速地将药物递送至肺部，缩短了实验周期，提高了实验效率。
附：北京元森凯德生物技术有限公司（BEIJING YSKD BIO-TECHNOLOGY CO.,LTD），简称元森凯德（YSKD），2013年成立于北京中关村科技园，是一家专业从事生命科学类实验仪器研制、生产与销售的科技创新型企业。服务毒理学、药理学、免疫学、生物安全、大气污染物、化学物质毒性鉴定、临床前药物开发与安全性评价、呼吸系统、环境与健康等领域。
部分用户案例：哈佛大学，麻省理工学院，新加坡国立大学，瑞士苏黎世联邦理工学院，中国科学院上海药物研究所，中国中医科学院中药研究所，丽珠医药集团股份有限公司，康龙化成（宁波）生物医药有限公司，中日医院呼吸病学研究中心/中日友好临床医学研究所，北京中医药大学，中国药科大学，沈阳药科大学，复旦大学，浙江大学，四川大学，中南大学湘雅医学院等

• 高剂量需求：PFD需要高剂量（801 mg/次，每日三次）口服，导致患者依从性差。
• 严重的副作用：包括消化不良、光毒性和全身性毒性，这些副作用限制了其长期使用的可行性。
• 药物递送效率低：口服给药导致药物在肺部的局部浓度不足，且全身分布广泛，增加了副作用的风险。
• 良好的生物相容性：tFNA由DNA组成，具有良好的生物相容性和低免疫原性。
• 高效的药物递送能力：tFNA能够通过其结构中的沟槽与小分子药物结合，并将药物高效递送至细胞内部。
• 生物活性：tFNA本身具有抗炎和抗氧化能力，可能对IPF的治疗产生协同作用。
• 易于合成和功能化：tFNA的合成过程简单，且可以通过化学修饰实现药物的高效结合。
• 合成tFNA：通过连接四条单链DNA（ssDNA）形成稳定的四面体结构。
• 结合PFD：将PFD分子嵌入tFNA的结构中，形成复合物Pt。通过多种技术（如聚丙烯酰胺凝胶电泳、高效毛细管电泳、透射电子显微镜和原子力显微镜）验证了Pt的结构和稳定性。
• 表征Pt的物理化学性质：通过动态光散射（DLS）测量Pt的尺寸和表面电荷，确认其在生理条件下的稳定性。
• 小鼠胚胎成纤维细胞（NIH/3T3）：模拟成纤维细胞的激活和纤维化过程。
• 人肺泡上皮细胞（A549）：模拟上皮-间充质转化（EMT）过程。
• 细胞摄取能力：Pt能够被两种细胞高效摄取，且在细胞内的分布广泛，表明tFNA能够有效地将PFD递送至细胞内部。
• 抗纤维化活性：Pt显著抑制了TGF-β1诱导的成纤维细胞激活和EMT过程，减少了胶原蛋白I、α-SMA等纤维化标志物的表达。
• 免疫调节和抗氧化能力：Pt能够调节炎症反应，减少氧化应激标志物（如NOX4）的表达，同时增加抗氧化标志物（如HO-1）的表达。

• 药物递送方式：通过北京元森凯德生物技术有限公司研制生产的动物雾化吸入给药仪器，将Pt直接雾化至小鼠肺部，确保药物在病变部位的高浓度分布。
• 治疗效果评估
  • Pt显著减少了肺组织中羟脯氨酸（胶原蛋白沉积的标志物）的含量，改善了肺组织结构。
  • Pt高剂量组（Pt-high）在抑制纤维化和恢复肺功能方面表现出最佳效果，与对照组（未诱导纤维化的小鼠）接近。
  • Pt显著降低了小鼠的死亡率，恢复了体重，并且在治疗期间未观察到明显的全身毒性。
• 免疫微环境调节：Pt能够调节肺部的免疫细胞分布，减少M2型巨噬细胞、树突状细胞（DCs）、髓系抑制细胞（MDSCs）和T细胞的浸润，从而抑制炎症向纤维化的转化。
• 调节TGF-β1/Smad信号通路：Pt显著抑制了TGF-β1诱导的Smad2/3磷酸化，减少了成纤维细胞的激活和EMT过程。
• 抗炎和抗氧化作用：Pt通过减少氧化应激标志物（如MDA、H2O2）和增加抗氧化酶（如SOD）的活性，改善了肺部的氧化应激状态，从而抑制了纤维化的进展。

本研究通过构建PFD-tFNA复合物（Pt），成功克服了PFD在治疗IPF中的局限性。Pt不仅提高了PFD的递送效率和生物利用度，还通过调节免疫微环境和抗氧化应激，显著改善了肺纤维化的病理状态。此外，Pt在小鼠模型中表现出良好的安全性和较低的全身毒性，显示出巨大的临床应用潜力。