综述：用于治疗骨质疏松症的仿生纳米递送系统的最新进展

《Materials Today Bio》：Recent Advances in Biomimetic Nanodelivery Systems for the Treatment of Osteoporosis

　　骨关节炎治疗面临药物靶向性差、疗效单一及微环境调控不足等问题。本文系统综述了三种生物模拟纳米递送策略：细胞膜包覆纳米系统通过仿生膜增强免疫逃逸和骨靶向性；外泌体作为天然载体可负载促骨形成因子并调节炎症；纳米酶通过清除氧化应激产物改善骨微环境。未来需解决材料标准化、长效安全性及智能响应机制等临床转化瓶颈。

　　骨质疏松症（Osteoporosis, OP）是一种影响骨骼代谢的慢性退行性疾病，其特征是骨重建失衡、微结构退化以及骨折风险增加。目前，尽管已有多种抗吸收和促合成疗法，但其组织特异性不足、疗效有限以及长期安全性问题仍制约了临床治疗效果。近年来，生物仿生纳米递送系统作为一种有前景的治疗平台，逐渐成为骨质疏松症研究的热点。这类系统具有增强的骨靶向性、改善的生物相容性以及多机制干预的潜力，为解决传统治疗手段的局限性提供了新思路。本文系统地总结了三种主要的生物仿生纳米医学策略：细胞膜包裹纳米颗粒、基于细胞外囊泡（Extracellular Vesicles, EVs）的递送系统以及纳米酶（Nanozymes）驱动的治疗平台，并探讨了其在调节成骨细胞与破骨细胞动态以及骨微环境中的作用机制，以及当前的临床前研究进展。此外，还分析了这些系统的转化挑战，包括材料异质性、大规模制造、药代动力学不确定性以及监管瓶颈。尽管存在这些局限性，生物仿生纳米递送系统为骨质疏松症治疗带来了范式转变的可能，有望在单一治疗平台中实现骨靶向、免疫调节、氧化应激调控以及骨再生等多重功能。未来的研究应聚焦于智能设计、工程标准化以及临床评估，以加速其向临床应用的转化。

在骨质疏松症的临床管理中，现有的治疗策略虽然在一定程度上能够减缓疾病进展和降低骨折风险，但仍面临诸多现实挑战。这些问题包括药物靶向性不足、生物利用度较低、显著的全身副作用、单一的作用机制以及难以有效调控骨质疏松症的复杂病理微环境。传统药物的这些局限性限制了其在高风险患者或已发生骨折患者中的广泛应用。因此，开发更加精准、安全且具有多机制调控能力的新型治疗策略和技术平台显得尤为迫切。生物仿生纳米递送系统，通过借鉴自然生物系统的特性，为克服现有疗法的缺陷提供了创新性的解决方案。这类系统不仅能够有效提高药物的生物相容性和靶向性，还能通过模拟生物分子或细胞的功能，主动调控骨微环境中的关键病理因素，从而实现骨质疏松症的多靶点治疗。

目前，三种代表性生物仿生纳米递送策略在骨质疏松症治疗研究中取得了显著进展，它们分别是：基于细胞膜的纳米递送系统、基于细胞外囊泡的递送系统以及基于纳米酶的递送系统。这些策略通过模拟自然生物成分或功能，赋予纳米载体优良的生物相容性、免疫逃避能力、延长循环时间以及针对骨病变的靶向性。例如，基于细胞膜的纳米系统通过在合成纳米载体表面覆盖特定细胞来源的天然细胞膜，使纳米颗粒具备“自我”识别能力，从而有效规避免疫系统的识别和清除，延长其在体内的循环时间。这种设计不仅提高了药物在骨病变部位的积累效率，还通过继承源细胞的关键成分，如膜蛋白、脂质和糖类，赋予纳米载体天然的生物功能，如主动靶向、细胞-细胞粘附能力或对微环境信号的响应能力。

基于细胞外囊泡的纳米递送系统利用细胞外囊泡作为天然的细胞间通讯载体，其自身携带具有治疗潜力的生物活性分子，展现出卓越的生物相容性和组织渗透能力。通过工程改造，这些囊泡可以进一步增强其在骨质疏松症病变部位的靶向性。纳米酶系统则通过模仿自然酶的催化活性，开发出具有酶样催化功能的纳米材料，这些材料能够清除骨微环境中的过量活性氧（ROS）和有害物质，从而缓解氧化应激和炎症，为骨重建创造有利条件。这些策略的多样性和协同作用为骨质疏松症的治疗提供了全新的视角。

然而，生物仿生纳米递送系统的临床转化仍面临多重挑战。首先，生物来源材料的获取、分离、纯化和标准化是一个复杂且成本高昂的过程。确保提取的细胞膜保留关键膜蛋白的完整功能并实现大规模、高通量、符合GMP标准的制造仍是亟待解决的关键问题。其次，细胞膜成分和活性的批次间差异可能影响纳米载体的稳定性和可重复性。此外，膜包裹过程可能影响纳米颗粒核心的药物装载效率和释放行为，因此需要精细的工艺优化。未来研究需要探索更高效且温和的膜提取和包裹技术，建立严格的品质控制标准，并全面评估不同来源的细胞膜在体内应用中的长期生物安全性。

基于细胞外囊泡的系统虽然展现出巨大的治疗潜力，但其临床转化也面临诸多困难。首先，囊泡的规模化分离、纯化、表征和标准化是一个复杂且昂贵的过程。开发更高效、可重复和符合GMP标准的制造流程是必要的，同时需要建立清晰的质量控制标准以评估囊泡产量、纯度、批次间一致性以及生物活性。其次，囊泡作为药物载体的装载效率仍需提升，特别是对于小分子药物和某些水溶性核酸，由于其难以被动穿透囊泡膜，因此需要更有效的装载方法。此外，囊泡在体内的分布、代谢途径和清除机制尚需深入研究，以增强其在骨病变部位的积累并减少在非靶向组织中的滞留。尽管囊泡通常具有较低的免疫原性，但异体囊泡的长期免疫安全性仍需进一步评估。未来研究应聚焦于开发新的囊泡工程技术，以提高药物装载效率和靶向性，优化分离和纯化流程以实现规模化生产，并进行系统性的临床前和临床研究，以评估其安全性和有效性。

纳米酶系统则通过模仿自然酶的催化功能，开发出具有酶样催化活性的纳米材料。这些材料能够在温和条件下催化特定的生化反应，从而模拟自然酶的功能。与天然酶相比，纳米酶通常具有更高的稳定性、更低的生产成本、易于大规模合成以及可调的催化活性和底物特异性。这些特性使纳米酶成为生物医学领域的重要工具，包括疾病诊断和治疗。在骨质疏松症的病理进展中，骨微环境的退化，尤其是过量的氧化应激，是其主要特征之一。纳米酶通过清除过量的ROS，如超氧阴离子（O??•）、过氧化氢（H?O?）和羟基自由基（•OH），直接缓解氧化应激对骨细胞的损伤。此外，纳米酶还能通过调节与骨代谢相关的信号通路，如抑制炎症相关NF-κB通路的激活，从而减少炎症因子对骨组织的负面影响。

尽管纳米酶在骨质疏松症治疗中展现出独特优势和潜力，其临床转化仍面临诸多挑战。首先，纳米酶的长期体内生物安全性需要全面评估，包括其代谢途径、降解产物的毒性以及在不同器官中的长期积累情况。虽然许多无机纳米酶表现出良好的生物相容性，但在长期或高剂量应用时仍需谨慎。其次，维持纳米酶在复杂生理环境中的催化活性，并理解其是否会被蛋白质、离子或其他分子影响，需要深入研究。设计能够表现出最佳催化活性在骨质疏松症病变部位，同时在正常组织中保持较低活性的纳米酶，是实现精准治疗的关键。此外，提高纳米酶的骨靶向能力，确保其主要积累在病变部位并减少在非靶向器官中的积累，对于增强疗效和减少潜在毒性至关重要。未来研究需要继续优化纳米酶设计，提高其生物安全性、催化稳定性和靶向性，并进行系统性的临床前和临床评估，以推动其在骨质疏松症治疗中的应用。

从整体来看，生物仿生纳米递送系统的临床转化仍需克服诸多现实挑战。首先，材料来源的复杂性和缺乏标准化是其主要障碍之一。这些系统的构建通常依赖于天然生物材料，如细胞膜、EVs等，其成分、结构和功能高度依赖于来源细胞的类型和生理状态，这使得质量控制和批次一致性成为一大难题。其次，纳米系统的药代动力学和体内行为存在不确定性，难以准确预测其在体内的分布和作用机制。此外，药物装载效率和释放控制仍是技术瓶颈，需要开发更高效、温和的装载方法，同时赋予其在特定骨微环境中的响应释放能力。安全性和潜在免疫原性风险也是不容忽视的问题，即使经过严格纯化，来自异体细胞的细胞膜或EVs仍可能残留少量宿主反应性蛋白、细胞碎片、DNA片段或内毒素，这些物质可能在长期或重复给药后引发免疫反应。最后，大规模生产和标准化仍是生物仿生纳米系统的重大挑战，需要开发高效、可扩展和可控的先进制造技术，如微流体技术用于纳米颗粒的均匀合成，或生物反应器用于工程细胞的大规模、GMP符合性生产。同时，实施过程分析技术以实现实时过程监控和控制，对于提高生产稳定性和确保产品质量一致性至关重要。

为了推动生物仿生纳米系统的临床转化，科研界、工业界、临床医生和监管机构需要共同努力。首先，深化对纳米-生物相互作用机制的理解，有助于提高治疗的精准性。尽管当前研究已经揭示了纳米系统与主要骨细胞的相互作用，但仍需进一步探索其在复杂骨微环境中的动态行为，以更精确地评估其治疗效果。其次，设计多功能和智能化的平台对于提高治疗效率至关重要。未来的生物仿生纳米系统应超越单一功能药物，发展成为整合多种治疗和递送模块的综合平台。这包括骨靶向性、可控药物释放以及微环境感应能力，这些能力能够根据病理信号（如pH变化、ROS水平或特定酶活性）触发药物释放，从而实现动态调整治疗活动的智能递送系统。第三，推动制造科学的发展，建立稳健的工程标准，是实现临床转化和商业化应用的前提。需要克服当前制造过程中的低产量、批次间不一致和高生产成本等问题，这要求开发高效、可扩展和可控的先进制造技术。此外，实施过程分析技术以实现实时过程监控和控制，将有助于提高生产稳定性和确保产品质量一致性。第四，构建协作且适应性的监管路径是推动临床转化的关键保障。由于生物仿生纳米系统是复杂的组合产品，它们无法简单地归类到传统药物、生物制剂、基因治疗或细胞治疗的监管框架中。因此，需要更深入的跨学科整合和学术界、工业界、药理学专家以及监管机构之间的紧密合作，以建立统一的质量控制标准、验证长期安全性和免疫原性的毒理学评估模型，并明确临床试验设计的原则。积极与监管机构沟通，共同建立清晰的分类和审批路径，对于推动这些复杂创新疗法的临床应用至关重要。最后，优化疾病模型以更好地连接临床前研究与临床结果，是实现生物仿生纳米系统临床转化的重要步骤。目前，许多研究依赖于啮齿动物模型，但这些模型在骨代谢和免疫系统方面与人类存在显著差异，难以准确模拟人类骨质疏松症的复杂病理生理学。因此，未来的研究应更加关注那些能更好地再现人类临床特征的大型动物模型，以实现对生物仿生纳米系统的药代动力学、生物分布、长期疗效和安全性进行更全面和预测性的评估，从而为成功的人类临床试验奠定坚实基础。