第一作者：黎楚钰、卢贵红

通讯作者：黄利利

通讯单位：北京理工大学医学院技术学院

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68398-0

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特发性肺纤维化（IPF）是一种进行性、致命的肺部疾病，目前尚无根治方法。本文开发了一种活性氧（ROS）响应型纳米系统（Mexo‑cl‑aT），通过气管注射给药后，能在IPF病灶中响应高ROS环境，释放间充质干细胞外泌体（Mexo）和抗TIMP‑1抗体（aT），实现ROS清除、胶原降解与组织修复的协同治疗。在博来霉素诱导的晚期肺纤维化小鼠模型中，单次给药即显示出显著抗纤维化效果，且安全性良好。该系统为IPF的精准治疗提供了新策略

背景介绍

IPF以肺组织内胶原过度沉积、肺泡结构破坏为特征，患者中位生存期仅为3–5年。目前临床使用的吡非尼酮和尼达尼布仅能延缓早期病情，对晚期患者疗效有限，且伴随明显副作用。细胞外基质（ECM）代谢失衡是IPF进展的核心环节，其中金属蛋白酶组织抑制因子‑1（TIMP‑1）过度表达会抑制基质金属蛋白酶（MMPs）的活性，导致胶原无法有效降解。此外，IPF微环境中ROS水平升高，进一步加剧组织损伤。因此，同时靶向TIMP‑1、清除ROS并促进组织修复，是逆转IPF进程的关键。

研究出发点

1）验证TIMP‑1在IPF中的关键作用：通过临床样本与小鼠模型证实TIMP‑1表达与纤维化程度正相关，且与肺泡上皮损伤、ROS升高协同推动病情进展。

2）构建ROS响应型纳米系统：利用苯硼酸酯键（ROS可切割）将aT与Mexo偶联，实现ROS触发下的药物时空控释。

3）评估系统治疗效能与机制：在细胞与动物模型中系统验证Mexo‑cl‑aT的抗纤维化、促修复、ROS清除及ECM代谢重平衡能力。

图文解析

本研究首先提出了一个协同治疗IPF的智能纳米策略。如图1a所示，研究团队通过ROS可切割的苯硼酸酯键（cl），将抗TIMP‑1抗体（aT）共价连接至间充质干细胞来源的外泌体（Mexo）表面，构建了具有微环境响应性的纳米复合体Mexo‑cl‑aT。其治疗机制（图1b）可概括为“触发-释放-协同作用”：纳米系统经气管吸入后，靶向蓄积于IPF病灶；在高浓度ROS的刺激下，连接键断裂，同步实现ROS的清除以及aT与Mexo的时空控释。释放的aT可阻断TIMP‑1，恢复MMPs的活性以降解过度沉积的胶原；而Mexo则发挥其固有的抗炎、抗纤维化及促进组织再生的功能，二者协同作用，共同促进肺结构的修复与功能恢复。

图‑cl‑aT 纳米系统的设计原理与治疗机制示意图

为了确立TIMP‑1作为治疗靶点的科学依据，研究团队在人体及动物模型层面进行了系统验证。图2结果显示，在IPF患者（图2b, c）和博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型（图2d-f）中，肺组织内TIMP‑1的表达水平均显著升高，且与胶原标志物COL1A1的表达量呈显著正相关，这直接证明了TIMP‑1与纤维化程度的紧密关联。进一步地，研究发现IPF微环境中活性氧（ROS）水平异常升高，而负责气体交换的I型肺泡上皮细胞标志物AQP5的表达则显著下降（图2g, h）。相关性分析提示，TIMP‑1、胶原沉积和肺泡上皮损伤在IPF进展中可能存在协同效应，从而确立了同时靶向ECM代谢失衡和氧化应激损伤的综合治疗策略的必要性。

图‑1在IPF中的关键作用及其与疾病进程的相关性验证

在确定靶点后，研究团队成功制备了Mexo‑cl‑aT并对其进行了全面表征。Western blot结果（图3a）证实了复合体中同时存在外泌体标志蛋白（ALIX， CD63， CD9）和抗体。共聚焦显微镜图像显示aT与Mexo信号高度共定位（图3b），TEM显示连接抗体后外泌体形态未发生明显改变（图3c）。粒径和电位分析表明，形成纳米复合体后，水合粒径从103.4 nm略微增加至114.3 nm，Zeta电位有所下降，且在4°C下保存7天保持稳定（图3d, e），证明了其良好的制剂稳定性。关键的ROS响应性实验（图3f-h）表明，在模拟IPF病理环境（0.1/1 mM H₂O₂）中，aT能在4小时内实现高效、可控的释放，且纳米系统自身能消耗环境中约90%的H₂O₂，验证了其“自消耗型”ROS响应与清除的双重功能。

图‑cl‑aT 纳米系统的制备与理化表征

为了评估纳米系统的直接抗纤维化能力，研究在TGF‑β1诱导的原代小鼠肺成纤维细胞（MLFs）模型中进行了测试。免疫荧光染色（图4a）及流式细胞术定量分析（图4b, c）表明，与PBS对照组或aT、Mexo单药组相比，Mexo‑cl‑aT能最有效地下调肌成纤维细胞活化标志物α-SMA和胶原蛋白COL1A1的表达。值得注意的是，与采用不可切割连接键的对照纳米粒（Mexo‑fl‑aT）相比，Mexo‑cl‑aT在促进胶原降解方面表现更优，这凸显了ROS触发释放对于aT发挥其功能的重要性。

图‑cl‑aT 在体外的抗纤维化效应

为了阐明Mexo‑cl‑aT发挥作用的细胞分子机制。如图5a-c所示，Mexo‑cl‑aT处理能显著降低MLFs上清液中的TIMP‑1水平，并相应提升活性MMP‑9的水平，成功将MMP/TIMP‑1的平衡向促进ECM降解的方向逆转。此外，该系统展现出强大的细胞保护与修复功能：它能显著降低博来霉素诱导的肺泡上皮细胞（A549）凋亡率（图5d, e），维持细胞活性并促进其增殖迁移（图5f, g）。最重要的机制之一是，通过共聚焦成像和流式分析（图5h），证实Mexo‑cl‑aT具有较强的细胞内ROS清除能力，这归功于苯硼酸酯键在断裂过程中对ROS的消耗，与Mexo本身的修复作用形成了协同。

图‑cl‑aT 在体外的作用机制与修复能力探究

通过活体成像技术（图6a, b）发现，与物理混合组（Mexo+aT）相比，偶联而成的Mexo‑cl‑aT能显著延长aT在肺部的滞留时间（信号增强2.3倍）。共聚焦显微镜对肺组织切片的观察（图6c）提供了更直观的证据：在不可切割的Mexo‑fl‑aT组中，aT与Mexo信号高度共定位；而在Mexo‑cl‑aT组中，由于IPF病灶内高水平的H₂O₂触发了连接键断裂，两者信号发生明显分离。这直接证明了该纳米系统能在体内精准地响应病变微环境，实现药物的定点释放。

图6. Mexo‑cl‑aT 在体内的代谢分布与ROS响应性释放行为

研究在博来霉素诱导的晚期肺纤维化小鼠模型中全面评估了治疗效果。如图7a-d所示，单次气管给予Mexo‑cl‑aT能最有效地改善肺组织的大体形态和显微结构，显著减少胶原沉积（Masson染色），并降低Ashcroft病理评分。该治疗还同步下调了肺内α-SMA和COL1A1的表达（图7e），使羟脯氨酸（HYP）含量恢复至接近正常水平（图7f）。在机制层面，治疗显著降低了支气管肺泡灌洗液（BALF）中的TIMP‑1水平，并大幅提升了MMP‑9活性（图7g, h），实现了ECM代谢的重编程。同时，肺组织内ROS水平被有效清除（图7i），细胞凋亡减少（图7j），肺泡上皮和血管内皮标志物表达回升。全面的血液学、生化及组织病理学分析均未发现明显毒性，证实了该纳米系统良好的生物安全性。

图7. Mexo‑cl‑aT 在肺纤维化小鼠模型中的综合治疗效果与安全性评估

总结与展望

本研究成功构建了一种ROS响应型“外泌体‑抗体”纳米系统Mexo‑cl‑aT，通过ROS触发释放 + TIMP‑1阻断 + 干细胞外泌体修复三重机制，实现了对晚期肺纤维化的高效协同治疗。该系统在动物模型中表现出良好的安全性与治疗效果，为IPF的临床治疗提供了新思路。未来可进一步拓展至其他纤维化疾病（如肝纤维化、心肌纤维化）乃至肿瘤微环境调控中，具有广阔的转化前景。

课题组介绍

黄利利课题组主页：

https://smt.bit.edu.cn/szdw/jsml/bssds/0f2b54147c83497c9ac87fe82ecb3231.htm

原文信息

Li, C., Lu, G., Chen, H. et al. A nanosystem targeting tissue inhibitor of metalloproteinase-1 for continuous spatiotemporal idiopathic pulmonary fibrosis therapy. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68398-0