综述:基于生物启发的材料设计用于口服靶向递送系统:从结构上的生物仿学到功能实现

时间:2026年1月28日
来源:Biochemical Pharmacology

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口服靶向递送系统(OTDS)的生物启发材料(BMs)通过结构仿生与生物仿生策略,显著提升药物递送效率并优化疗效,其设计涵盖材料选择、制备方法及功能实现机制,重点解决胃肠道环境挑战和肝首过代谢问题。目前研究多聚焦单一疾病或材料类型,缺乏系统分析从结构设计到功能实现的转化逻辑,同时制备方法的优劣对比和临床转化瓶颈尚未明确。本文系统梳理BMs在OTDS中的应用,提出整合计算结构模拟与功能验证的递送系统开发框架,结合结肠炎和癌症等典型疾病模型,揭示材料结构-功能-疗效的关联性,并评估化学修饰、膜融合等新兴制备技术的潜力,为下一代OTDS的临床转化提供理论支撑和技术路径。

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徐敏慧|孙涛|梁黄邦|冯光福|胡琼芳|杜远春|方俊
湖南农业大学生物科学与生物技术学院,中国湖南长沙410128

摘要

近年来,仿生材料(BM)作为药物递送领域的研究重点,显示出在口服靶向递送系统(OTDS)方面的巨大潜力。通过模仿生物系统的结构特征或功能机制,这些材料显著提高了递送效率并优化了药物活性,为OTDS的合理设计提供了新的范式。尽管取得了显著进展,但现有的评估主要集中在单一疾病应用或特定类型的材料上,缺乏从结构设计到功能实现的系统性总结。同时,不同制备方法的优点和局限性及其对递送性能的影响仍需进一步探索。为了解决这些问题,本文全面分析了BM在OTDS中的设计策略和功能机制,重点关注两个关键维度:结构模拟和生物模拟。此外,本文还批判性地评估了各种制备方法的优点和局限性。通过综合来自多种疾病模型的实验证据(以结肠炎和癌症为例),系统地阐明了BM在提高口服药物靶向效率方面的关键作用。此外,本文提出了优化递送系统的战略方法,并讨论了该领域面临的挑战和未来发展方向。这项工作旨在促进下一代OTDS的合理设计和临床应用。

引言

口服药物递送是最受欢迎和便捷的给药途径,具有许多优势,包括患者依从性高、使用方便、可接受性好以及成本效益高。[1],[2] 在过去的二十年里,靶向口服递送系统引起了越来越多的研究兴趣,[3],[4] 其主要目标是减少非特异性生物分布、肝脏首过代谢和全身清除,同时确保治疗剂(包括蛋白质、抗体、核酸和肽)在穿透胃肠道屏障后的靶向积累。通过最大化靶点处的药物浓度并最小化不良反应,可以实现最佳的治疗效果。[5]
尽管具有治疗潜力,OTDS仍面临多重挑战,包括但不限于恶劣的胃肠道环境、载体不稳定性、生产可扩展性问题以及临床转化挑战。[3] 这些系统必须克服物理化学障碍,如肠上皮细胞的黏液层、消化酶和极端的pH值波动,所有这些都会降低药物的生物利用度。[6],[7] 同时,通过门静脉吸收的药物会经历广泛的肝脏首过代谢,进一步降低全身生物利用度,阻碍了有效口服疗法的发展。[8],[9] 传统的靶向策略主要依赖于配体修饰,但经常受到受体异质性和生理屏障的限制。[10] 此外,高昂的医疗费用导致一些患者放弃治疗,这突显了开发能够应对这一挑战的创新OTDS策略的迫切需求。
与传统的递送策略不同,仿生系统的根本特点是其主动和智能的靶向能力。[11],[12],[13] 通过多层面的复杂自然设计模仿,这些策略体现了“受自然启发,优于自然”的原则。[14],[15] 与传统材料的被动递送相比,仿生材料能够更有效地克服口服递送中的生理障碍。[16] 具体来说,通过模仿内源性分子识别机制(如配体-受体相互作用和抗原-抗体结合),仿生载体能够在器官、细胞甚至细胞器水平实现精确靶向。[17] 在生物相容性方面,仿生材料通常使用天然成分作为基质或复制天然组织的结构。由于与内源性物质的高度相似性,这些材料表现出更好的体内稳定性,并显著降低了免疫原性和毒性风险。[18],[19] 此外,虽然传统递送系统主要适用于小分子药物,但仿生口服平台可以封装多种治疗剂,包括蛋白质和核酸。[20] 它们还能根据特定的疾病微环境或外部刺激精确释放药物。[21],[22] 因此,仿生材料在推进当代细胞生物学、组织工程和再生医学研究方面发挥着不可或缺的作用。[23] 值得注意的是,仿生策略强调将生物启发设计与工程制造相结合,而不是完全排除合成材料。[24],[25] 这种混合创新在保留生物智能的同时,克服了天然材料在机械性能和稳定性方面的局限性。虽然BM在OTDS中解决了许多临床挑战,但大多数仍处于实验阶段,临床应用有限。实验室成功与临床应用之间的差距既是一个挑战,也是未来研究的机遇。
尽管BM作为提高药物递送效率的关键策略引起了广泛的学术关注,但现有综述的范围仍然有限。现有文献主要集中在:(1)药物和载体的分类及其相互关系,(2)特定的BM类型(如纳米颗粒、ZIF-8、生物膜、细菌膜囊泡、红细胞膜)[14],[15],[26],[27],[28],[29],[30],(3)在递送特定药物类别(如核酸)或治疗特定疾病(如癌症、神经系统疾病)方面的进展。[28],[31],[32],[33] 值得注意的是,关于BM在靶向递送系统中的设计原理及其与治疗效果之间机制联系的系统性分析仍不足。
本综述全面分析了BM在OTDS中的设计,涵盖了从计算结构模拟到功能实现的方法。我们的分析涉及四个关键维度:(1)根据渐进的“结构-功能-应用”关系系统地探讨了BM在OTDS中的设计,涵盖了从设计和材料选择到实施方法的整个过程。(2)研究了仿生OTDS设计与疾病治疗效果之间的相关性。(3)通过整合当前临床转化中的挑战,为仿生技术在OTDS中的未来发展提供了前瞻性见解,为下一代口服递送技术提供了理论指导和技术参考。

章节摘录

OTDS的仿生材料类型

OTDS的设计在很大程度上取决于仿生材料的选择,具体类型由治疗需求决定。这些系统通常包括载体和治疗剂,其中载体主要由仿生材料构成。根据结构或功能需求,载体可能使用单一的仿生材料或复合结构,可能还会加入辅助成分以优化性能。

结构仿生

作为仿生材料设计的基本策略,结构仿生通过复制天然生物结构来应对OTDS中的关键科学挑战。结构模仿不仅复制了形态,还为功能实现奠定了基础。具体而言,分子水平的精确结构控制对于靶向效率至关重要,而宏观尺度上的复杂结构组装对于维持系统稳定性和长期效果至关重要。

仿生OTDS的制备方法

仿生OTDS的制备技术正从传统的机械过程转向混合方法,这得益于对结构精度、功能多样性和可扩展生产的需求。传统的超声处理仍是一种基本方法,因为其操作简单且成本效益高,而化学修饰和膜融合等新兴技术显著增强了功能集成能力。表2系统地比较了这些方法。

仿生OTDS在疾病治疗中的应用

为了确保对特定疾病的有效和靶向递送,递送系统必须能够主动识别并定位到病变组织。这一目标主要通过两种策略实现:一种利用载体材料本身的靶向特性,另一种则基于疾病特有的生物特性设计响应刺激的递送系统(图5)。例如,整合素α4β7等受体

结论与展望

近年来,利用仿生材料的口服靶向递送系统在优化治疗效果方面取得了显著进展。通过调节肠道免疫途径,这些系统为促进体内平衡提供了独特的治疗窗口。本综述全面概述了仿生材料在口服靶向递送中的应用,包括结构设计原则和功能策略。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

作者贡献声明

徐敏慧:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,可视化,资金获取,数据管理。孙涛:撰写 – 审稿与编辑。梁黄邦:撰写 – 审稿与编辑。冯光福:撰写 – 审稿与编辑,监督,资金获取。胡琼芳:撰写 – 审稿与编辑。杜远春:撰写 – 审稿与编辑,监督。方俊:监督,资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了湖南省科技创新计划(2023RC3148)、湖南省自然科学基金(2025JJ50174)、长沙市自然科学基金(授权号kq2402113)、湖南省科技创新计划重点研发项目(授权号2025JK2027)、湖南省禽业技术体系(HARS-06)以及湖南省研究生科学研究创新项目(CX20240655)的支持。我们向相关人士表示歉意。

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