頂刊速遞——我院申有青教授課題組最新Nature Biomedical Engineering
第一作者：陳思親，鐘寅，范武發(fā)，相佳佳
通訊作者：申有青 教授
第一單位：浙江大學(xué)
DOI：10.1038/s41551-021-00701-4
在國家自然科學(xué)基金(51833008)和浙江省重點研發(fā)計劃(2020C01123)的資助下，浙江大學(xué)申有青教授團隊在主動轉(zhuǎn)胞吞型高效抗腫瘤納米藥物的研究領(lǐng)域再次取得新的進展。繼2019年提出了酶響應(yīng)型納米藥物的腫瘤主動滲透新機制以來(Nature Nanotechnology，論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41565-019-0485-z)，該團隊成員持續(xù)致力于開發(fā)具有高效主動轉(zhuǎn)胞吞作用的藥物遞送體系，并進一步提出了一種簡化藥物載體結(jié)構(gòu)的策略：即利用能夠弱黏附細胞膜、但
黏附蛋白質(zhì)的兩性離子聚合物為載體，使之同時具備血液長循環(huán)性能和不必發(fā)生酶催化反應(yīng)就觸發(fā)腫瘤細胞主動轉(zhuǎn)胞吞的特性。這一策略不但極大地簡化了納米藥物的結(jié)構(gòu)，而且能夠更加高效地外滲進入腫瘤組織并滲透擴散，將藥物遞送到瘤內(nèi)所有細胞，獲得極高的療效，因此具備良好的臨床轉(zhuǎn)化潛力。相關(guān)研究成果以“Enhanced tumour penetration and prolonged circulation in blood of polyzwitterion–drug conjugates with cell-membrane affinity”為題，于2021年4月15日在線發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Biomedical Engineering雜志上，申有青教授為通訊作者，浙江大學(xué)為第一單位。
????? 研究背景?????
近年來，納米藥物的臨床應(yīng)用取得了重大進展，其中一些納米藥物已經(jīng)在臨床上應(yīng)用或處于臨床試驗階段，但是幾乎所有的納米藥物都未能達到預(yù)期的臨床治療效果。在腫瘤靶向的納米藥物遞送過程中，納米粒子必須經(jīng)歷血液長循環(huán)（Circulation）、腫瘤蓄積（Accumulation）、腫瘤浸潤（Penetration）、腫瘤細胞內(nèi)吞（Internalization）和藥物釋放（drug Release）這五步級聯(lián)反應(yīng)（CAPIR Cascade）才能有效地將藥物遞送到腫瘤細胞內(nèi)。EPR效應(yīng)被公認為是納米藥物在腫瘤部位富集的主要因素，但是EPR效應(yīng)在臨床腫瘤中的發(fā)生率低且具有很強的異質(zhì)性，導(dǎo)致基于EPR效應(yīng)的納米藥物難以從血管進入腫瘤組織；同時，納米藥物固有的大尺寸（相對于小分子藥物）和腫瘤微環(huán)境的致密性，使得納米藥物更加難以在實體腫瘤內(nèi)滲透，導(dǎo)致無法將藥物遞送至遠離血管的腫瘤細胞中發(fā)揮治療作用。因此，腫瘤血管外滲困難和腫瘤組織滲透困難仍然是傳統(tǒng)納米藥物難以克服的瓶頸。為了克服藥物輸送過程中的各種生理屏障，國內(nèi)外研究人員設(shè)計了各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多功能納米藥物，但未能從根本上解決納米藥物依賴于EPR外滲和在瘤內(nèi)被動擴散困境，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也不可避免地增加了臨床轉(zhuǎn)化的困難。
本團隊在前期工作中首次提出：基于主動轉(zhuǎn)胞吞的納米藥物設(shè)計策略能夠巧妙地利用腫瘤內(nèi)細胞密度高的特點，讓腫瘤血管內(nèi)皮細胞/腫瘤細胞“主動地”在細胞間傳遞納米藥物，從而有效地外滲進入腫瘤組織并克服腫瘤微環(huán)境對納米粒子被動擴散的障礙，打破了納米藥物遞送過程中面臨的外滲難和浸潤難的瓶頸。但是，前期設(shè)計的主動轉(zhuǎn)胞吞納米藥物需要先在腫瘤部位發(fā)生酶催化產(chǎn)生胺的反應(yīng)才能觸發(fā)腫瘤細胞的主動轉(zhuǎn)胞吞作用，其載體結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，有待進一步簡化載體結(jié)構(gòu)和提高遞送效率。
????? 本文亮點?????
在本項研究中，研究人員設(shè)計合成了一種含有三級胺氮氧結(jié)構(gòu)的兩性離子聚合物OPDEA，它具有不與蛋白質(zhì)吸附卻能與細胞膜可逆吸附的特性，因此能夠“隱蔽”在血液循環(huán)系統(tǒng)中實現(xiàn)長循環(huán)和腫瘤富集；另一方面，它能快速被腫瘤血管內(nèi)皮細胞和腫瘤細胞攝取，從而觸發(fā)主動轉(zhuǎn)胞吞作用并實現(xiàn)高效的腫瘤血管外滲和腫瘤主動滲透。基于此，研究人員利用OPDEA攜載化療藥物7-乙基-10-羥基喜樹堿（SN38）制備了以OPDEA為親水外層、以SN38前藥聚合物為疏水內(nèi)核的腫瘤主動滲透型納米載藥膠束（OPDEA-PSN38）（圖1a）。尾靜脈注射后，該膠束能可逆地吸附到紅細胞上而不吸附血漿蛋白，具有較好的血液長循環(huán)；一旦到達腫瘤部位，它能弱吸附在腫瘤血管內(nèi)皮細胞上并觸發(fā)其轉(zhuǎn)胞吞作用，快速外滲至腫瘤組織中，進而通過腫瘤細胞的轉(zhuǎn)胞吞作用實現(xiàn)高效的腫瘤滲透，能夠浸潤到乏血管、缺氧甚至壞死區(qū)域，從而將藥物遞送到所有細胞，最終徹底消滅腫瘤組織中所有的腫瘤細胞（圖1b）。與臨床一線化療藥物伊立替康（CPT-11）及其脂質(zhì)體相比，該納米藥物在多種荷瘤小鼠模型（包括肝癌原位模型和人源腫瘤異種移植瘤模型）中均表現(xiàn)出優(yōu)異的抑瘤作用，在常規(guī)給藥劑量下，它不僅能清除起始腫瘤大小為70 mm3的小腫瘤，也能清除起始腫瘤大小為500 mm3的大腫瘤，而且生物安全性良好，不會產(chǎn)生停藥反彈等副作用（圖1, c-f）。
圖1 OPDEA-PSN38膠束的腫瘤主動滲透機理示意圖和抑瘤曲線。（a）OPDEA-PSN38膠束的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（b）OPDEA-PSN38在腫瘤部位的轉(zhuǎn)胞吞作用和腫瘤滲透機理：i）膠束能可逆吸附在紅細胞上進行血液長循環(huán)，ii）通過EPR效應(yīng)在被動擴散至腫瘤組織，iii）通過腫瘤血管內(nèi)皮細胞的主動跨細胞轉(zhuǎn)運/轉(zhuǎn)胞吞作用在腫瘤組織蓄積，iv) 在腫瘤組織中基于轉(zhuǎn)胞吞作用實現(xiàn)主動滲透。（c-d）OPDEA-PSN38膠束在肝癌皮下小腫瘤模型（c，初始腫瘤體積~70 mm3）和大腫瘤模型（d，初始腫瘤體積~500 mm3）中均表現(xiàn)出根治性的治療效果；（e）在肝癌原位腫瘤模型中，OPDEA-PSN38膠束治療組的小鼠腫瘤被徹底清除；（f）在肝癌PDX模型中，OPDEA-PSN38膠束的抑瘤作用顯著優(yōu)于同等治療劑量和更高治療劑量的臨床一線藥物（CPT-11）治療組。
????? 圖文解析?????
圖2 ?OPDEA能夠弱黏附細胞膜，因此不需要發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變就能同時具備血液長循環(huán)性能和被腫瘤細胞內(nèi)吞的能力。（a）等離子共振實驗證明OPDEA與細胞膜磷脂具有較強的分子間相互作用力；（b）分子模擬實驗證明OPDEA與磷脂能形成較強的氫鍵相互作用；（c）紅細胞吸附-洗脫實驗證明OPDEA能在紅細胞上可逆吸附，有利于實現(xiàn)血液長循環(huán)和腫瘤富集；（d）血漿清除實驗證明OPDEA的血液循環(huán)時間長；（e）小動物活體成像實驗證明OPDEA具有良好的腫瘤靶向富集作用；（f）腫瘤細胞內(nèi)吞實驗證明OPDEA能快速被細胞攝取，有利于觸發(fā)腫瘤細胞的轉(zhuǎn)胞吞作用。
圖3 OPDEA能觸發(fā)腫瘤血管內(nèi)皮細胞和腫瘤細胞的主動轉(zhuǎn)胞吞作用，從而快速外滲進入腫瘤組織并徹底滲透。（a-b）Transwell實驗證明OPDEA（a）或OPDEA-PSN38膠束（b）能觸發(fā)血管內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)胞吞作用。其中，癌化的內(nèi)皮細胞（ECDHCC-1）具有比正常內(nèi)皮細胞（HUVEC）更高效的轉(zhuǎn)胞吞作用；血液流速會降低轉(zhuǎn)胞吞速率。（c-d）透射電鏡圖像證明OPDEA-PSN38膠束能觸發(fā)ECDHCC-1細胞（a）和實體腫瘤血管內(nèi)皮細胞（b）的轉(zhuǎn)胞吞作用，因此內(nèi)皮細胞中具有大量轉(zhuǎn)胞吞囊泡（紅色星號）、細胞突觸（藍色箭頭）和內(nèi)皮細胞膜的窗孔結(jié)構(gòu)（紅色箭頭）；（e）激光共聚焦顯微鏡實時成像證明尾靜脈注射的OPDEA能夠快速發(fā)生血管外滲并充分浸潤到腫瘤組織內(nèi)部。
圖4 ?OPDEA-PSN38膠束能通過主動轉(zhuǎn)胞吞作用快速浸潤到腫瘤組織中的乏血管、缺氧甚至壞死區(qū)域。（a）跨細胞傳遞實驗證明OPDEA在腫瘤細胞中能通過不斷的“內(nèi)吞-外排”作用實現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)胞吞作用；（b）光聲成像實驗證明OPDEA-PSN38膠束能滲透到實體腫瘤的乏血管區(qū)域；（c）免疫熒光染色實驗證明OPDEA-PSN38膠束能滲透到實體腫瘤的缺氧區(qū)域和壞死區(qū)域；
????? 全文總結(jié)?????
綜上所述，N-O結(jié)構(gòu)具有的弱黏附細胞膜、但黏附蛋白質(zhì)的特性，賦予了納米藥物CAPI所需的所有功能，即血液長循環(huán)、不依賴于傳統(tǒng)被動蓄積機制（EPR效應(yīng)）的腫瘤血管主動外滲、高效瘤內(nèi)滲透和快速細胞內(nèi)吞，納米藥物療效高且結(jié)構(gòu)簡單。與將多種功能組分組裝獲得多功能納米藥物（All functional components-into-One）的方法相比，這種單一結(jié)構(gòu)賦予多種所需功能（One-for-all functions）來簡化納米藥物結(jié)構(gòu)的方法，為臨床轉(zhuǎn)化納米藥物的設(shè)計提供了新的思路。目前此項專利技術(shù)已轉(zhuǎn)讓海南普利制藥股份有限公司進行臨床轉(zhuǎn)化。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-021-00701-4
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