同济大学杜建忠教授团队AFM：护肾血管造影囊泡：血管成像不是梦，三重防护保肾康

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CT血管成像是一种重要的临床检测手段，通过在静脉中快速注入造影剂并进行扫描，重建血管的立体影像以诊断血管病变。但是，常用的含碘造影剂具有循环时间短（需要多次或快速持续注射）、易过敏等缺陷，更严重的是会引起造影剂肾病，导致不少人对CT血管成像“望而生畏”。

目前造影剂肾病已经成为第三大医源急性肾损伤。由于血管与人体软组织的CT值接近，因此使用CT血管造影与介入治疗时都需要注射大剂量造影剂以获得清晰的图像。然而，心血管疾病患者往往是伴有糖尿病、高血压、高血脂等动脉硬化危险因素的高龄人群，存在潜在或明显的肾脏功能衰退，对造影剂耐受度极差，使用造影剂后常常会导致肾功能急剧恶化，甚至威胁患者生命。据统计，多达30％的患者在注射含碘造影剂后会患造影剂肾病，导致全世界每年有近150000名患者。因此，开发一种具有肾保护功能且循环时间较长（不需要多次或快速持续注射）的CT血管造影剂，具有非常重要的意义。

为解决上述问题，同济大学杜建忠教授团队发明了一种护肾CT血管造影囊泡(Renoprotective angiographic polymersomes, RAPs)，不仅具有优异的血管增强造影效果，而且可以显著降低造影剂肾病发生的风险。

如图1所示，该血管造影囊泡是一种可降解的纳米胶囊，由一种他们设计的生物医用高分子制备而成，该高分子简写为PEO45-b-P[(Lys-IBC)45-stat-(Lys-PAPE)15]。其中，蓝色的PEO链段形成囊泡的“冠层”，使得该囊泡可以像红细胞一样在血管中自由移动；紫色的Lys-BIC单元和橘黄色的Lys-PAPE单元为共同组成囊泡的功能“膜层”，分别起到CT血管造影以及通过清除活性氧而护肾的作用。

图1. 护肾血管造影囊泡的设计理念及其造影与护肾原理

    临床使用的小分子含碘造影剂主要通过两种机制产生肾毒性：一方面，碘元素对肾细胞具有直接毒性。即使是少量的碘也会产生活性氧并引起内皮细胞功能障碍，从而诱发肾小管细胞凋亡，导致组织损伤。另一方面，造影剂的高渗性和高粘度会改变肾脏血流动力学（如血管收缩和血流量减少），从而导致肾髓质缺氧和活性氧水平升高。此外，肾小管对水的重吸收作用使得停留在其中的造影剂进一步浓缩，其快速的肾清除也加重了肾脏的代谢负担。

      与之相比，护肾血管造影囊泡具有如下三重肾脏保护机制：一、血管造影囊泡中的碘原子包埋在疏水膜层，可以有效避免碘原子与体内环境的接触，从而大幅减少过敏、细胞毒性等不良反应；二、血管造影囊泡有较低的渗透压、较长的体内循环时间，可以减小对肾脏血流动力学的影响，避免肾脏在短时间内代谢大量造影剂而造成的损伤；三、血管造影囊泡可在原位主动清除活性氧，有效降低肾脏氧化应激水平，进一步保护肾功能不受造影剂影响。

首先评价了血管造影囊泡的体外和体内造影效果。体外实验表明（图2），在相同浓度下，血管造影囊泡与小分子含碘造影剂具有相似的CT值，表明它们具有相似的碘含量，且血管造影囊泡的造影效果并未因为护肾功能的引入而受到影响；体内造影实验显示，注射血管造影囊泡后15 min内，可以观察到小鼠体内明显的血管CT造影增强效果，且在膀胱内没有明显的信号增强，表明了血管造影囊泡较长的体内循环时间。与之相反，注射相同剂量的碘海醇，5 min后未产生任何血管CT造影增强作用，且观察到膀胱内信号明显增强，表明其短时间内被肾脏快速清除。这些结果证明，与临床使用的小分子造影剂相比，团队发明的血管造影囊泡具有更长的血液循环时间，具有不需要持续注射造影剂、避免由于肾脏短时间内代谢大量造影剂而造成肾损伤等优点。

图2. 护肾血管造影囊泡的体外及体内CT造影效果

进一步利用实验性肾损伤小鼠模型研究了血管造影囊泡减轻肾脏氧化应激、保护肾功能的效果。首先，他们评估了血管造影囊泡的抗氧化能力，其方法如下：使用DHE对肾脏切片进行染色以评估肾脏组织中的ROS水平；通过血液生化测试评估超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)两种抗氧化酶的血清活性。如图3所示，临床使用的小分子造影剂泛影葡胺和碘海醇均在一定程度上加重了肾脏的氧化应激，而团队发明的血管造影囊泡没有增加肾损伤小鼠肾脏的ROS水平，且与未经处理的肾损伤小鼠有着相近的抗氧化酶活性，体现了其优异的体内抗氧化能力。之后，团队通过血清肌酐(Creatinie)和血尿素氮(BUN)两项重要的肾功能指标，以及肾脏的HE染色切片，对血管造影囊泡的肾功能保护效果进行了评估。如图4所示，注射泛影葡胺和碘海醇的肾损伤小鼠血清肌酐和血尿素氮水平进一步升高，而血管造影囊泡则不会造成肾损伤小鼠肾功能的进一步恶化。HE肾脏病理切片表明，注射血管造影囊泡的肾损伤小鼠的肾脏呈现出较少的管型，进一步支持了这一结论。

图3. 护肾血管造影囊泡体内抗氧化能力实验：(A)肾损伤小鼠造模过程及动物实验分组。(B)各组小鼠的DHE和DAPI染色肾脏切片共聚焦荧光图。(C, D)血清超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)水平。较高的超氧化物歧化酶活性和较低的过氧化氢酶活性表明氧化应激水平的升高。(E) DHE染色切片平均荧光强度的统计分析

图4. 血管造影囊泡的体内肾功能保护实验：(A)血清肌酐(Creatinine)和(B)血尿素氮(BUN)水平，较低的血清肌酐和血尿素氮浓度表明较好的肾脏功能。(C)HE染色的小鼠肾脏切片，箭头表示管型的形成

酶降解实验表明，该血管造影囊泡与胰酶共孵育后，可分解为粒径约为7 nm的小颗粒，体现了其优异的生物降解性能。

这种护肾血管造影囊泡通过三重防护机制大大降低了造影剂肾病发生的风险，为肾功能不全患者的CT血管造影带来了福音，并为设计新型、安全的CT血管造影剂提供了新理念。

该成果已申请中国发明专利（公开号：CN111184877A），并于2020年10月1日以“Renoprotective angiographic polymersomes (护肾血管造影囊泡)”为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202007330）。同济大学博士生刘丹青为论文第一作者，杜建忠教授为通讯作者。该研究得到了国家杰出青年科学基金资助（21925505）。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007330

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