加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师开发出了中性粒细胞“纳米海绵”，可以安全地吸收和中和多种蛋白质，这些蛋白质在类风湿性关节炎的进展中发挥作用。在两种小鼠模型中注射这些纳米海绵有效地治疗了严重的类风湿性关节炎。早期施用纳米海绵也可以预防疾病的发展。
 
“纳米海绵是阻止病理分子在体内引发疾病的新范式，”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的纳米工程学教授张良芳说。“我们正在开发一种可以阻断其广泛范围的平台，而不是创造治疗来阻断一些特定类型的病理分子，这样我们就能更有效地治疗和预防疾病。”
 
这项工作是张氏实验室开发的治疗性纳米海绵的最新实例之一。张先生隶属于加州大学圣地亚哥分校医学和摩尔癌症中心工程研究所，他的团队之前开发了红细胞纳米海绵，用于对抗和预防MRSA感染和巨噬细胞纳米海绵治疗和控制败血症。
 
新的纳米海绵是生物可降解聚合物的纳米颗粒，其涂有中性粒细胞的细胞膜，嗜中性粒细胞是一种白细胞。
 
中性粒细胞是免疫系统对抗入侵病原体的第一反应者之一。还已知它们在类风湿性关节炎的发展中起作用，类风湿性关节炎是一种慢性自身免疫疾病，其在关节中引起疼痛性炎症并且最终可导致软骨和骨组织的损伤。
 
当类风湿性关节炎发展时，关节中的细胞产生称为细胞因子的炎性蛋白质。细胞因子的释放表明嗜中性粒细胞进入关节。在那里，细胞因子与中性粒细胞表面的受体结合，激活它们以释放更多的细胞因子，从而将更多的中性粒细胞吸引到关节等等。
 
纳米海绵基本上将这种炎症级联压在芽中。通过作为微小的中性粒细胞诱饵，它们拦截细胞因子并阻止它们向关节发出更多的中性粒细胞信号，减少炎症和关节损伤。
 
这些纳米海绵为目前治疗类风湿性关节炎提供了一种有前景的替代方案。例如，一些单克隆抗体药物帮助患者控制疾病症状，但它们通过仅中和特定类型的细胞因子起作用。张说，这还不足以治疗这种疾病，因为有很多不同类型的细胞因子和病理分子参与其中。
 
“中和一种或两种类型可能不那么有效。所以我们的方法是服用中性粒细胞膜，它们天然具有结合所有这些不同类型细胞因子的受体，并用它们来管理整个炎症分子群体，”张。
 
“这一策略消除了在此过程中识别特定细胞因子或炎症信号的需要。使用整个中性粒细胞膜，我们立即切断所有这些炎症信号，”第一作者Qiangzhe Zhang博士说。张良芳教授在加州大学圣地亚哥分校的研究小组的学生。
 
为了制造中性粒细胞纳米海绵，研究人员首先开发了一种从全血中分离中性粒细胞的方法。然后，他们在溶液中处理细胞，使细胞膨胀并破裂，留下膜。然后将膜破碎成更小的碎片。将它们与由可生物降解的聚合物制成的球形纳米颗粒混合，将中性粒细胞膜融合到纳米颗粒表面上。
 
“这项工作的主要挑战之一是简化整个过程，从分离中性粒细胞，从血液中去除膜，并使这个过程重复。我们花了很多时间搞清楚这一点，最终建立了一个一致的中性粒细胞纳米海绵生产线，“张强哲说。
 
在严重类风湿性关节炎的小鼠模型中，在发炎的关节中注射纳米海绵导致肿胀减少并且保护软骨免受进一步损伤。纳米海绵的表现与给予小鼠高剂量单克隆抗体的治疗一样好。
 
当在另一组小鼠中诱导疾病之前施用时，纳米海绵也起到预防性治疗的作用。
 
张良芳教授提醒说，纳米海绵治疗并不能消除这种疾病。“我们基本上能够控制疾病。它并没有完全消失。但肿胀大大减少，软骨损伤最小化，”他说。
 
该团队希望有一天能够在临床试验中看到他们的工作。
 
镰状红细胞如何粘在血管上
 
镰状细胞病最常见的并发症之一发生在变形的红细胞聚集在一起，阻塞微小血管并在受影响的身体部位引起剧烈疼痛和肿胀。
 
麻省理工学院的一项新研究揭示了这些被称为血管闭塞性疼痛危象的事件是如何产生的。这些发现也代表着能够预测何时可能发生此类危机的一步。
 
“这些痛苦的危机非常难以预测。从某种意义上说，我们理解它们为什么会发生，但我们还没有一种好的方法来预测它们，”麻省理工学院材料科学与工程系主要研究科学家Ming Dao说。和该研究的资深作者之一。
 
研究人员发现，这些疼痛事件最有可能是由未成熟的红细胞产生的，称为网织红细胞，更容易粘在血管壁上。
 
新加坡南洋理工大学校长，麻省理工学院前工程学院院长，Vannevar Bush工程名誉教授Subra Suresh也是该研究的高级作者，该研究于9月出现在美国国家科学院院刊上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Dimitrios Papageorgiou和前博士后Sabia Abidi。
 
模拟血流量
 
患有镰状细胞病的患者在编码血红蛋白的基因中有一个突变，血红蛋白是一种允许红细胞携带氧气的蛋白质。这会产生畸形的红细胞：细胞变成镰刀状，而不是特征性的圆盘状，特别是在低氧条件下。患者经常患有贫血症，因为异​​常的血红蛋白不能携带足够的氧气，以及通常用阿片类药物或其他药物治疗的血管闭塞性疼痛危象。
 
为了探究红细胞如何与血管相互作用以引发血管闭塞性危象，研究人员建立了一种专门的微流体系统，模拟后毛细血管，将脱氧血液从毛细血管中带走。这些直径约10-20微米的血管最容易发生血管闭塞。
 
微流体系统旨在让研究人员控制氧气水平。他们发现，当氧气非常低或处于缺氧状态时，与毛细血管后血管相似，镰状红细胞粘附在血管壁上的可能性比正常氧气水平高2到4倍。
 
当氧气含量低时，镰状细胞内的血红蛋白形成僵硬的纤维，生长并向外推动细胞膜。这些纤维还有助于细胞更牢固地粘附在血管内壁上。
 
“在缺氧情况下，为什么会有更多的附着力，因此几乎没有理解，”Suresh说。“这项研究的实验为增加粘附力的过程和机制提供了一些关键的见解。”
 
研究人员还发现，在患有镰状细胞病的患者中，称为网织红细胞的未成熟红细胞最有可能粘附在血管上。这些年轻的镰状红细胞，刚从骨髓中释放出来，比成熟的红细胞携带更多的细胞膜表面积，使它们能够产生更多的粘附位点。
 
Papageorgiou说：“我们观察到镰状血红蛋白纤维的生长在几分钟内拉伸网状细胞。”“看起来他们正试图抓住更多的表面，并更强烈地坚持。”
 
患者预测
 
研究人员现在希望设计一个更完整的血管闭塞模型，结合他们对粘连的新发现与以前的工作，他们测量了镰状细胞患者血细胞变硬的时间，使他们更容易阻止血液流动。微小的血管。并非所有患有镰状细胞病的患者都会出现血管闭塞，并且患者之间的发作频率差异很大。麻省理工学院的研究人员希望他们的研究结果可以帮助他们设计一种方法来预测个体患者的这些危机。
 
“血细胞粘附确实是一个非常复杂的过程，我们不得不开发基于这种微流体实验的新模型。这些粘附实验和缺氧条件下镰状红细胞的相应模拟是定量和独特的，”应用教授George Karniadakis说。布朗大学的数学和该研究的资深作者。