【Science子刊】中科院李娟团队：纳米工程化干细胞，引领肺纤维化可视化治疗新时代！

2024年8月21日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所李娟团队在期刊《Science Advances》上发表了题为“Enzyme-like nanoparticle–engineered mesenchymal stem cell secreting HGF promotes visualized therapy for idiopathic pulmonary fibrosis in vivo”的研究论文。本研究为IPF提供了一种有效且具有前瞻性的治疗方法，并为旨在解决肺部疾病的基于干细胞的治疗系统，建立了框架。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq0703

研究介绍

 01 

特发性肺纤维化（IPF）是一种高度流行且严重的间质性肺疾病，约占该疾病类别中所有病例的40%，严重影响人类福祉。其特征是肺泡上皮细胞（AEC）损伤，伴有成纤维细胞和肌成纤维细胞的激活/刺激增强，导致细胞外基质（ECM）在肺泡壁中积聚。间充质干细胞（MSCs）已成为一种潜在的基于细胞的肺再生疗法，这主要是由于其公认的安全性和显著的旁分泌效应。

此外，MSCs体内疗效的实时可视化，对于优化基于MSC的IPF治疗策略，具有重要意义。团队之前专门设计和开发了一系列用于可视化各种疾病治疗的纳米探针。 由于肺组织的独特特性，例如其低氢质子密度，CT成像技术被广泛认为是临床上可视化肺部疾病的更合适的方法。然而，为移植的间充质干细胞，引入体内CT示踪剂、递送HGF基因，以及减轻ROS，以提高MSCs治疗IPF的疗效，是一个尚未解决的挑战。

本研究以硫酸鱼精蛋白（PS）为原料，采用简单的方法，成功制备了AuPtCoPS三金属基纳米载体（TBNCs）。它在质粒DNA（pDNA）负载能力、酶样活性和CT成像性能方面，表现出优异的特性。工程化的间充质干细胞表现出显著的功能，如有效清除纤维化肺中的ROS，在病变部位高效表达HGF，从而提高移植MSCs的抗氧化应激和抗纤维化能力，最终将移植MSCs的体内生存时间，延长至前所未有的14天，显著提高对IPF的治疗效果。此外，工程化的间充质干细胞具有CT成像能力，可以实时监测移植间充质干细胞的体内生物学行为，并有助于可视化移植间充质干细胞对IPF的疗效。

TBNCs@pDNA在基因递送和双模态成像中，应用追踪hMSCs，治疗IPF 的示意图。

研究进展

 02 

标记的hMSCs在体外具有治疗效果

HGF抑制了TGF-β1的信号传导和AEC向肌成纤维细胞的转变。HGF通过依赖于丝裂原活化蛋白激酶的机制，刺激TGF-β1信号转导抑制剂（如Smad7表达）的产生，这有望阻碍AEC转化为肌成纤维细胞，从而阻碍肺纤维化的进展。

与hMSC-CM和正常培养基组相比，标记的hMSC-CM导致肌成纤维细胞凋亡显著增加，膜联蛋白V-FITC和PI阳性信号增加，证明了这一点。虽然hMSC-CM组的膜联蛋白V-FITC和PI染色也呈阳性，但与标记的hMSC-CM组相比，信号强度显著降低。暴露于标记的hMSC-CM后，肌成纤维细胞的死亡率为50.3%，是正常培养基对照组（15.5%）的3倍，是hMSC-CM暴露组（22.4%）的2倍。此外，MMP-2和MMP-9可触发肌成纤维细胞凋亡，表明它们有可能作为抗纤维化干预的候选药物。

本研究中的TBNCs@pDNA工程化hMSCs，表现出有效再生受损AECs、抑制EMTs和诱导肌成纤维细胞凋亡的能力，有望显著阻碍IPF的进展。

评估用TBNC标记的hMSC，在体外促进受损BEAS 2B修复和阻碍AEC转化为肌成纤维细胞的能力。

标记的hMSCs在体内具有治疗效果

标记的hMSCs能够显著降低两种因子的表达水平，与未标记的hMSCs相比，在下调方面表现出明显更高的效率。此外，标记的hMSCs移植显著抑制了NLRP3的表达，表明标记的hMSCs具有有效阻碍EMT和阻碍肺纤维化进展的潜力。移植标记的hMSCs治疗组的α-SMA表达降低，移植标记的hMSCs治疗组的TUNEL染色结果中的阳性细胞数量明显增加，表明移植标记的hMSCs具有有效诱导肌成纤维细胞凋亡的潜力。

2D和3D CT成像结果表明，BLM组肺的正常通气面积显著减少，这在用标记的hMSCs治疗后，表现出显著改善。被确定为标记的hMSCs的小鼠的肺通气程度高达96%，与未标记的hMSCs组（75%）和BLM组（44%）相比，这一水平明显更高。

用TBNCs@pDNA设计的hMSCs，显示出有效承受纤维化肺氧化应激的能力，并显著提高其体内存活率。同时，工程化的hMSCs，在纤维化位点表现出高水平的HGF表达，积极促进受损肺上皮细胞的修复，降低Col I和α-SMA的表达，从而阻碍肺纤维化的进展，促进肺组织的结构重组。

TBNC标记的hMSCs，在体内治疗肺纤维化的疗效。

研究结论

 03 

总之，TBNCs可以通过一种简单可靠的方法合成，显示出显著的酶样活性、有效的基因递送和在CT成像方面的特殊潜力。首先，TBNCs有效根除移植的hMSCs中的ROS，从而提高其活力，并将移植的hMSCs在体内的寿命延长至14天。其次，TBNC有效地将HGF pDNA递送至hMSCs，导致HGF表达增加935倍，并最终增强移植hMSCs的抗纤维化潜力。此外，将TBNC强大的CT成像属性与组成型表达荧光素酶的hMSC的生物发光能力相结合，可以实时监测移植的hMSC的体内分布、迁移和活力。这种方法增强了对移植间充质干细胞治疗IPF的机制的理解，并有助于优化基于间充质干细胞的治疗技术。

因此，本研究提供了一种以前未被发现的方法，用于工程化间充质干细胞，以赋予治疗和成像能力，为推进临床研究和简化再生医学领域高质量间充质干细胞的大规模生产，奠定关键的技术基础。

参考资料：

1.A. J. Podolanczuk, C. C. Thomson, M. Remy-Jardin, L. Richeldi, F. J. Martinez, M. Kolb, G. Raghu, Idiopathic pulmonary fibrosis: State of the art for 2023. Eur. Respir. J. 61, 2200957 (2023).

2.R. J. Allen, J. M. Oldham, D. A. Jenkins, O. C. Leavy, B. Guillen-Guio, C. A. Melbourne, S.-F. Ma, J. Jou, J. S. Kim; Clean UP-IPF Investigators of the Pulmonary Trials Cooperative, W. A. Fahy, E. Oballa, R. B. Hubbard, V. Navaratnam, R. Braybrooke, G. Saini, K. M. Roach, M. D. Tobin, N. Hirani, M. K. B. Whyte, N. Kaminski, Y. Zhang, F. J. Martinez, A. L. Linderholm, A. Adegunsoye, M. E. Strek, T. M. Maher, P. L. Molyneaux, C. Flores, I. Noth, R. Gisli Jenkins, L. V. Wain, Longitudinal lung function and gas transfer in individuals with idiopathic pulmonary fibrosis: A genome-wide association study. Lancet Respir. Med. 11, 65–73 (2023).