应用|从肿瘤穿透到肾脏清除，一文读懂如何用“尺寸”精准设计下一代纳米药物

引言：为什么纳米颗粒的尺寸如此关键？

　　纳米药物在疾病治疗中潜力巨大，但其在体内的“旅程”充满挑战——能否穿透肿瘤？能否避开肝脏捕获？多久能被肾脏清除？

　　ACS Nano综述指出，答案藏在纳米颗粒的尺寸中！人体不同器官的生理屏障（如肝脏的100-150 nm筛孔、肾脏的6 nm过滤阈值）如同精准的“分子尺子”，直接决定了纳米药物的命运。

核心发现：尺寸如何改写纳米颗粒的体内剧本？　　

静脉注射：小尺寸的“隐形术”

　　图1.纳米颗粒大小对静脉给药的影响。(A)纳米颗粒大小对蛋白质电晕形成的影响。一进入在血液中，纳米颗粒以一种大小依赖的方式与血清蛋白结合。对于大的纳米颗粒（bbb10纳米），蛋白质吸附在纳米颗粒表面形成蛋白质冠状体。对于小的纳米颗粒（≤10nm），纳米颗粒可能形成配合物（不完全）冠状病毒)与单一蛋白质。(B)纳米颗粒大小对外渗的影响。纳米颗粒通过细胞外或细胞旁穿越血管途径。对于跨细胞途径，内皮细胞内化的最佳尺寸约为50  -70 nm，因为细胞间隙较小，小于10纳米的纳米颗粒可以很容易地通过。

　　l 蛋白冠形成：>10 nm的颗粒易被血清蛋白包裹，增大尺寸并改变表面性质；≤10 nm的颗粒则与单个蛋白结合，命运由蛋白决定。

　　l 血管穿透：<10 nm颗粒通过细胞间隙快速渗透，50-70 nm颗粒则通过内皮细胞内吞效率最高（图1）。

口服给药：200 nm的“分水岭”

　　图2.口腔给药中的大小依赖性转运。(A)肠道结构和纳米颗粒在肠道内的运输途径。的肠屏障由粘膜层和上皮层组成。作为物质吸收的重要屏障，肠道粘液具有孔尺寸约200nm。上皮层是物质吸收进入血液循环的最大屏障，形成紧密的连接上皮细胞间的平均孔径为1.6 ~ 2.6 nm。两种主要的上皮细胞是肠细胞和微褶(M)细胞。肠细胞占肠上皮细胞的约80%，是负责营养吸收的主要细胞类型，具有致密的微绒毛顶端被黏液覆盖。相比之下，M细胞是一类特殊的抗原运输细胞，其表面没有被覆盖M细胞聚集的区域被称为Peyer 's patch，它的内部有大量的免疫细胞并与淋巴结相连。穿过上皮细胞后，纳米颗粒可通过两种途径进入体内：门静脉转运；在此过程中，纳米颗粒进入门静脉并经过肝脏第一次代谢，在此过程中，纳米颗粒进入淋巴运输进入淋巴系统，然后循环回到心脏。(B)纳米颗粒在肠内的大小依赖转运。(1)纳米粒子穿透粘液的大小取决于粘液的大小。一般来说，200纳米以下的纳米颗粒能够穿透肠道粘液，甚至更小纳米颗粒比大颗粒更容易穿透黏液。(2)在门静脉转运中，纳米颗粒比胞旁间隙小上皮细胞可能被动地进入血液。然而，大多数纳米颗粒是通过胞吞作用转运到血液中的小于100 nm的纳米颗粒表现出更高的传输效率。(3)在淋巴运输中，脂溶性纳米颗粒的大小为100 ~ 200 nm可被上皮吸收，穿过黏液层后转运到淋巴循环，而当大小当纳米颗粒的粒径大于500 nm时，纳米颗粒可以通过M细胞运输到Peyer 's patch。

　　l 黏液穿透：<200 nm的颗粒可穿过肠道黏液，<100 nm的颗粒更易被肠上皮细胞吸收进入血液（图2）。

　　l 淋巴靶向：肌肉注射后，10-100 nm颗粒优先进入淋巴系统，而<10 nm颗粒易被血液“截胡”。

肿瘤靶向：小尺寸的“深度渗透”优势

　　图3.肿瘤中大小依赖性转运。(A)纳米颗粒到达癌细胞前的体内转运。纳米粒子进行在靶向癌细胞之前通过血液循环和肿瘤内运输。纳米颗粒的肿瘤靶向效率为与他们的血液潴留正相关，这通常取决于他们通过肝脏或肾脏和脱靶的清除率纳米颗粒在血液中循环的时间越长，它们从血液进入肿瘤的机会就越多。进入后肿瘤，纳米颗粒需要克服多种肿瘤相关屏障，包括血管屏障，肿瘤相关巨噬细胞（tam）。细胞外基质（ECM）屏障。血管内皮细胞间开口增大，通常大于50个nm。纳米颗粒穿过肿瘤内皮有两种途径：细胞旁途径和细胞外途径。后当纳米颗粒外渗时，会遇到大量的tam，这些tam聚集在肿瘤组织的血管附近，具有一定的抗肿瘤活性很有可能被它们吸收，限制了纳米粒子在肿瘤内的深度渗透。纳米粒子从在很大程度上，tam的吸收将被ECM阻断，ECM具有20  -40 nm孔径的网状结构，从而进一步到达癌症细胞（CCs）和其他细胞（OCs）。此外，纳米颗粒通过淋巴管离开肿瘤，淋巴管要么在肿瘤内部，要么在肿瘤内部肿瘤周围。显然，纳米颗粒要经过一个漫长而复杂的过程才能在体内靶向癌细胞。(B)尺度依赖的外渗，穿透，肿瘤内分布和出口。通常观察到较小的纳米颗粒向肿瘤组织外渗更容易从血液中脱离，并且比大的肿瘤渗透得更深。根据陈的实验室结果，大部分是大型的（>  -15nm）纳米颗粒（>  -80%的整个肿瘤靶向效率）保留在非细胞部分，其中相当低的百分比被带走由癌细胞（<1%的整体肿瘤靶向效率）。然而，尚不清楚15纳米以下的小纳米颗粒是否能够更多体内有效靶向癌细胞。由于超小纳米颗粒在肿瘤内的外渗和渗透表现出特异性，因此它们值得研究在体内癌细胞靶向和肿瘤内分布方面有待进一步的定量研究。在退出过程中，较小的纳米颗粒比较大的纳米颗粒通过淋巴通道或血液通道更有效地离开肿瘤。纳米颗粒较小30 nm以上的纳米颗粒倾向于通过肿瘤周围的淋巴管排出肿瘤，30 nm以上的纳米颗粒则通过肿瘤内的淋巴管排出肿瘤与肿瘤周围淋巴管的比例相似，大于30 nm的纳米颗粒主要通过肿瘤周围淋巴管排出肿瘤内淋巴管。

　　l 穿透能力：15 nm金纳米颗粒的肿瘤穿透深度是100 nm颗粒的3倍，超小颗粒（<6 nm）甚至可直达癌细胞（图3）。

　　l 肿瘤滞留：>15 nm的颗粒80%滞留在肿瘤细胞外基质中，仅不到1%被癌细胞摄取，而超小颗粒或成破局关键！

　　清除机制：肝脏与肾脏的“尺寸筛选”

　　图4. 纳米颗粒在肾脏中的大小依赖性运输。(A)肾脏结构和肾脏内的运输。基本结构肾的功能单位是肾元，主要由肾小球和肾小管组成。肾小球滤过膜，从毛细血管管腔到尿腔，由糖萼层、内皮层组成，内皮层有70 ~ 90nm的开窗，肾小球滤过膜（GBM）具有2 ~ 8 nm的连接，足细胞层具有4 ~ 11 nm的连接，可以在方案1中找到。总的来说，肾脏过滤阈值（KFT）为~ 6 nm。肾小管被小管周围的毛细血管所包围。纳米颗粒在肾脏中的转运包括肾小球运输和小管运输。在肾小球内的转运称为肾小球的被动转运通过肾小球滤过膜进行过滤。小管内的输运是一个主动过程，包括管状输运重吸收、分泌和再消除。小管重吸收是小管上皮细胞主动摄取和运输的过程进入外周毛细血管。小管分泌是一个由小管周围毛细血管经交叉进入小管腔的主动运输过程毛细血管内皮细胞和小管上皮细胞。小管再消除是近端小管细胞主动摄取的过程经肾小球滤过后，再通过挤压囊泡与某些细胞器一起进入小管腔。(B)大小依赖于硬和软纳米颗粒的肾小球滤过。对于硬纳米颗粒，肾脏过滤阈值为~ 6 nm。纳米粒子直径大于100纳米的小颗粒难以穿过肾小球内皮层的孔洞，清除率可忽略不计进入尿液。粒径在6 ~ 100 nm范围内的纳米颗粒能够克服内皮层的屏障，但被内皮细胞阻滞GBM中的小孔。粒径在1 ~ 6nm之间的纳米颗粒可以有效地通过肾小球滤过屏障定律是小的比大的更快被消灭。尺寸小于1纳米的纳米颗粒可以与糖萼发生物理作用，导致肾小球滤过率降低。对于软纳米颗粒，KFT增加到~ 10 nm，因为软纳米颗粒，特别是对于那些大于10 nm的，可以变形和灵活，以克服肾小球滤过屏障，实现肾脏清除，或者它们是在循环中解离成小的肾小球可滤过分子。因此，大于10 nm的软纳米颗粒可以被清除到由于可变形性或解离性引起的尿。3 ~ 10 nm大小的软纳米颗粒可以有效地通过肾小球滤膜具有尺寸缩放规律，即较小的滤膜比较大的滤膜清除得快。尺寸小于3纳米的软纳米颗粒可能与肾小球滤过膜相互作用，在某些情况下导致肾小球滤过率降低。(C)纳米颗粒尺寸管输送要求。纳米颗粒在肾小管内的转运过程中，发生了肾小管的重吸收和再消除管腔；因此，这两种转运需要纳米颗粒足够小，以便首先通过肾小球。纳米粒子通过分泌过程进入小管腔的通常是较大的纳米颗粒，它们太大而无法通过滤过肾小球。

　　l 肝脏捕获：>100 nm颗粒易被库普弗细胞吞噬，6-100 nm颗粒通过肝窦内皮筛孔进入胆汁排泄。

　　l 肾脏清除：≤6 nm的硬质颗粒可经肾小球过滤，而软质颗粒（如PEG）因形变能力，10 nm仍可被清除（图4）。

应用突破：尺寸调控如何改写治疗范式？

　　l 个性化肿瘤治疗：根据肿瘤血管间隙（>50 nm）和细胞外基质孔隙（20-40 nm），设计尺寸可变的“智能纳米颗粒”，实现深层递药。

　　l 口服疫苗开发：50-200 nm脂质纳米颗粒可穿透肠道黏液，靶向派氏结M细胞，激活高效免疫应答。

　　l 长效药物设计：>100 nm颗粒延长血液循环时间，而≤6 nm颗粒实现快速肾脏清除，减少全身毒性。

未来展望：纳米医学的“尺寸革命”

　　通讯作者Bujie Du教授指出：

　　“下一步，我们将探索超小纳米颗粒（<2 nm）在脑靶向和免疫调节中的潜力，并开发跨器官协同的尺寸响应型递送系统！”

结语：从纳米到生命，尺寸即策略

　　无论是“大而持久”还是“小而敏捷”，纳米颗粒的尺寸选择已成为药物设计的核心逻辑。读懂这把“分子尺子”，或许就是解锁精准医疗的未来密钥。

　　 DLS100纳米粒度及Zeta电位分析仪

　　DLS100纳米粒度及Zeta电位分析仪是集成纳米胶体溶液的颗粒粒度，及其Zeta电位的高性能光学检测装置。该装置测量纳米颗粒的粒度和Zeta电位的原理分别是：动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）技术，与电泳光散射（Electrophoretic Light Scattering, ELS）技术。应用上述技术，可以实时、准确地检测胶体溶液中纳米颗粒的粒径及粒径分布，以及Zeta电位等参数，可广泛的应用于生物、医药、化工、食品、材料制备和污水处理等领域的基础研究、质量分析和质量控制等应用。

　　文献来源

　　Xu, M. et al. (2023). Size-Dependent In Vivo Transport of Nanoparticles: Implications for Delivery, Targeting, and Clearance.ACS Nano, 17(20), 20825–20849.

　　DOI: 10.1021/acsnano.3c05853