过程工程所两国重室合作在病毒气溶胶鼻内防护方面取得新进展

chunyu

气溶胶是病毒性呼吸道传染病的主要传播方式。近日，过程工程所提出一种“鼻内口罩”的新策略并创新给药剂型，在正电荷的温敏型水凝胶内部嵌合表面高表达病毒受体的微米级囊泡，通过液态喷鼻给药后，在鼻腔部位迅速转换为凝胶态，从而在鼻腔壁处形成保护层，实现对病毒气溶胶的拦截以及病毒的失活。经小鼠以及人鼻腔数字模型、人呼吸道仿真模型验证，该新策略均具有显著防护效果。相关工作在12月18日发表于Nature Communications（DOI : 10.1038/s41467-023-44134-w）。

　　鼻内口罩的作用机制

　　过程工程所生化工程国家重点实验室马光辉院士和魏炜研究员团队基于多年的生物剂型工程研究基础，创制了“鼻内口罩”这种新的防护策略来加强对于病毒气溶胶传播的阻断，该新型“口罩”由携带正电荷的温敏型水凝胶（GEL）与表面高表达病毒受体的微米级细胞囊泡（MV）嵌合而形成保护层（MV@GEL）。病毒气溶胶被吸入鼻腔时，保护层中正电荷的GEL能够拦截并吸附负电荷的病毒气溶胶颗粒，阻断其向下游气管及肺部的传播；而嵌合在凝胶中的MV能够进一步借助表面高表达的受体，诱捕病毒进入囊泡内部使其失活，以此保护鼻腔上皮细胞不被病毒感染。通过上述“拦截”和“失活”的协同作用，大大降低病毒感染的风险。
　　研究团队已在基于小鼠的病毒感染模型与病毒传播模型上证实“鼻内口罩”可以有效保护小鼠鼻腔和肺部免受病毒气溶胶的感染。随后，进一步借助人鼻腔电子计算机断层扫描（CT）数据构建了人体鼻腔数字模型，同时与过程工程所介科学与工程全国重点实验室的王利民研究员团队展开交叉合作，使用计算流体力学-离散颗粒模拟（CFD-DPS）技术计算在呼吸行为下气溶胶颗粒的鼻腔内分布状态，证明MV@GEL对气溶胶颗粒的截留率高达93.2%。研究团队还借助3D打印技术获得了人体鼻腔实物模型，并将其与人肺类器官模块（模拟肺组织）和气流管道模块（模拟呼吸气流）连接，构建了集成化的人呼吸道仿真模型，在此基础上证明了“鼻内口罩”能够有效降低不同病毒气溶胶对于肺类器官的感染率。由于病毒的变异不会影响其与受体的结合，“鼻内口罩”对于相应病毒不同变异株的气溶胶均具有同等的防护效果。
　　上述成果仍属于临床前研究阶段，实际临床疗效有待进一步验证。鉴于该体系构建的通用性、灵活性和安全性，在未来应对病毒性呼吸道传染病时，有望通过更换微米级细胞囊泡上的病毒受体，快速构建病毒特异的防护型“鼻内口罩”，并且可以通过与传统口罩的联合使用，更高效地阻断病毒气溶胶传播。
　　近年来，过程工程所生化工程国家重点实验室马光辉院士团队魏炜研究员创制了一系列药物和疫苗递送新剂型，在动物模型上成功用于肿瘤、传染病和炎症性疾病的防治，并且部分剂型已通过医院伦理批准进入个体化临床研究。相关工作相继发表于Nature, doi.org/10.1038/s41586-023-06809-8、Nat Nanotechnol 2023, 18, 933、Nat Nanotechnol 2021, 16, 1413、Sci Transl Med 2021, 13, eabb6981、Nat Biomed Eng 2023, doi.org/10.1038/s41551-023-01112-3、Nat Biomed Eng 2021, 5, 414、Nat Biomed Eng 2021, 5, 968、Sci Adv 2021, 7, eabd7614、Sci Adv 2021, 7, eaba2458、Sci Adv 2020, 6, eaay7735、Sci Adv 2019, 5, eaaw3192、Nat Commun 2023, 14, 4505、Nat Commun 2022, 13, 4214、Nat Commun 2021, 12, 6399、Nat Commun 2019, 10, 5165、Nat Commun 2017, 8, 14537等期刊上。
　　过程工程所博士生胡校铭、副研究员王双、博士生付少童为该论文共同第一作者，魏炜、马光辉、王利民为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、北京自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、过程工程所前沿基础研究项目和北京市科技新星计划的支持。
　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44134-w
       文章来源：过程所
       马光辉，中国科学院过程工程所研究员, 现担任过程工程副所长，生化工程国家重点实验室主任。1988年，日本群马大学工学部纤维高分子工学科，获学士学位。1993年，日本东京工业大学理工学研究科高分子工学专业，获博士学位。1994-2001年  先后日本东京农工大学工学部、大学院生物系统应用科学研究科助理教授。2001年2-3月获日本文部省海外派遣资助，赴美国Lehigh大学和New Hampshire 大学做访问学者。2001年中国科学院“百人计划引进人才”到过程工程所工作。获2002年国家杰出青年科学基金，2005年获北京市科学技术奖一等奖，2009年国家发明二等奖，2009年亚洲青年女科学奖（由Elsevier和第三世界科学院共同评审）。研究方向为均一聚合物微球的制备及在生化工程和医学工程中的应用。重点探索均一生物微球的制备及其作为分离介质、药物载体、酶固定化载体、细胞微载体的应用。发展了国际领先的尺寸均一微球的制备技术和装备，制备出了多种微球产品，如多糖介质、聚合物介质、超大孔介质等，部分产品完成规模化生产，并在生物分离领域成功获得了应用和推广。还制备出了尺寸均一的聚乳酸系列微球、多糖微球、智能型微球等，并作为药物载体获得了好的应用结果，成果得到美国辉瑞、GE公司、英国联合利华等知名企业的重视，合作进行了成果转化。主持多项国家项目和企业合作项目，撰写了8本英文学术专著中的8章，编写了6本英文丛书，3本中文专业书，主译学术书1本，在国际期刊发表了100多篇SCI收录的学术论文。
        魏炜，中国科学院过程工程研究所研究员，博导，国家优青。2004年获北京大学医学部药学院学士学位，同年保送进入中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室进行硕博连读，2011年获得博士学位后留所工作，2013年成为首位破格晋升的副研究员，2016年破格晋升为研究员。在Nature Materials、Nature Communications、Immunity、JACS、Advanced Materials、ACS Nano、Advance Functional Materials、Biomaterials等著名学术期刊上共发表SCI论文70篇，H因子28，他引3000余次；其中第一作者和通讯作者共43篇，10篇为封面文章，参与编写中英文论著5部。先后获得中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、中国颗粒学会青年科学家奖、中国药学会青年药剂学奖、侯德榜化工青年科技奖等多个奖项，并入选中国科学院青年促进会优秀会员、北京市科技新星计划、北京市青年拔尖人才计划和北京市高创人才计划。