中山大學等三方 Nano Lett.報道: 生物外泌體驅動對接納米顆粒對原位乳腺癌肺轉移的特異性化療

【背景介紹】

? ? ? ? 眾所周知，決定蛋白質相互作用和反應的藥物過程，在藥物分子進入人體內后就顯得非常重要。這種相互作用包括藥物與生物靶標的結合、藥物與血漿蛋白的結合等等。其中，由585個氨基酸組成的人血清白蛋白（HSA）是血漿中最豐富的蛋白質，具有三個結構同源的結構域，可以很容易地接受化學物質作為供體。因此，它在決定各種內源性和外源性物質以及治療劑的配置方面起著重要作用。通常，順Pt和HSA之間的反應被認為是鉑（Pt）在血漿中結合的主要途徑。但它們之間的相互作用是不可逆的，導致其產物在治療上沒有活性。雖然通過在軸向位置引入功能化配體，制備的新一代Pt配合物-Pt(IV)前藥在細胞溶質還原作用下，Pt(IV)前藥可分解成有毒的Pt(II)藥物。例如Pt(IV)前藥被負載在聚半胱氨酸基(二硫酰胺)納米載體上，通過二硫鍵響應GSH，有望克服異種移植瘤中順Pt的耐藥性問題。但是在不同的開發階段仍舊存在過早釋放、非特異性分布和生物相容性差等挑戰。

? ? ? ? 然而，巨噬細胞作為最豐富的循環細胞之一，可以優先被乳腺癌吸收以加速惡性轉移，在原位腫瘤中占據一半以上的細胞數量。其中，外泌體是由哺乳動物細胞通過多胞體與質膜融合而主動分泌的40-150 nm膜包裹小泡，是專門從事細胞間的遠距離通訊，促進蛋白質和/或核酸的轉移，以便在受體細胞中進行后續調控。此外，在體液中具有增強穩定性的同種異體外泌體可以作為合并貨物的隱形斗篷，減少單核吞噬細胞系統(MPS)的清除，可以避免毒性和免疫原性。由于巨噬細胞來源的外泌體具有獨特的腫瘤歸巢能力，所以其作為藥物遞送平臺可能是對乳腺癌進行靶向性治療的一個潛在策略。

【成果簡介】

? ? ? ? ?近日，中山大學的吳鈞教授及合作方聯合報道了一種通過建模計算預測由月桂酸官能化的Pt(IV)前藥[Pt(lau)]、人血清白蛋白（HSA）和卵磷脂組成的，通過納米沉淀制備的最佳對接納米顆粒（NPs），并通過熒光光譜進行驗證。然后，作者進一步設計了一種生物激發的巨噬細胞衍生的被稱為Rex的外泌體，作為對接NPs的腫瘤特異性穿梭的載體。通過使Pt(lau)HSA NPs和Rex的混合物進行循環超聲處理和快速超速離心制備出NPs/Rex。這種高性能的NPs/Rex輸送系統可以增強的膠體穩定性和氧化還原觸發的釋放曲線。利用細胞動力學的研究，證明NPs/Rex是通過多種途徑內化，避免了雙層包埋，并且在胞質溶膠中生物還原后成功地制成了Pt化核酸。通過觀察順Pt對NPs/Rex處理后細胞增殖和細胞周期的特異性作用，證實了Pt(lau)的細胞內活化。在體內應用中，仿生涂層賦予對接具有延長的血液循環、靶向性和增強的生物相容性以及NPs中的順Pt化療乳腺癌細胞中的脂肪墊和肺的轉移結節原位腫瘤。因此，這種有利的納米平臺可能為目前臨床上使用的Pt抗癌藥物的衍生化和開發提供一種有價值的方法。研究成果以題為“Pursuing Specific Chemotherapy of Orthotopic Breast Cancer with Lung Metastasis from Docking Nanoparticles Driven by Bioinspired Exosomes”發布在著名期刊Nano Lett.上。

中山大學生物醫學工程學院為論文第一單位，吳鈞教授為最后通訊作者。合作方康奈爾大學的馬明林教授和中國藥科大學的葛亮副教授為共同通訊作者。

【圖文解讀】

圖一、外泌體平臺（Rex）負載Pt(lau)HSA NPs進行有效治療乳腺癌的示意圖

圖二、 Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex等組的理化表征
（A）有和物Pt(IV)前藥的情況下HSA的熒光發射光譜；

（B）Pt(lau)與HSA的氨基酸殘基之間的相互作用模型；

（C）Pt(IV)HSA NPs被包封到Rex中的示意圖；

（D）Pt(lau)HSA NPs的尺寸和Zeta電位的分布；

（E）NPs/Rex的尺寸和Zeta電位的分布；

（F）Pt(lau)HSA NPs的TEM圖像（比例尺= 100 nm）；

（G）NPs/Rex的TEM圖像（比例尺= 100 nm）；

（H）當被捕獲時，Rex（藍色）和NPs Rex（紅色）用特異于巨噬細胞標記的Alexa Fluor 488標記的抗體染色。

圖三、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex等組的體外細胞實驗
（A）用Dil-NPs/Rex以0.5和5.0 μg/ mL孵育4T1細胞的平均熒光強度（MFI）；

（B）NPs/Rex在4T1細胞中的作用機制；

（C）孵育6 h后順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex在4T1細胞中的分布；

（D）孵育6 h后順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex在4T1細胞中的DNA平板化；

（E）用順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex處理細胞72 h后的細胞毒性；

（F）用順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex處理的4T1細胞的細胞活力的雙色核染色；

（G）用順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex以10 μM處理24 h的4T1細胞的流式細胞圖；

（H）用順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex孵育12 h后 4T1細胞的線粒體膜電位；

（I）用PBS、HAS、Rex、順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex孵育12 h后4T1細胞的ROS水平；

（J）用PBS、HAS、Rex、順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex孵育12 h的4T1細胞的半胱天冬酶3/7活性。

圖四、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex等組的小鼠體內分布實驗
（A）向SD大鼠（n = 3）單次靜脈內注射后順Pt、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex的藥代動力學曲

（B）將乳腺癌細胞原位注射到小鼠乳腺脂肪墊中的方案；

（C）在攜帶4T1腫瘤的BALB/c小鼠（n = 3）中DiR、DiR-Pt(lau)HSA NPs和DiR-NPs/Rex的生物分布；

（D）從圖C量化的每個組織的相對熒光信號。

圖五、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex等組對小鼠體內腫瘤的治療效果
（A）化療期間來自4T1荷瘤BALB/c小鼠的脂肪墊中的原位腫瘤體積（n = 5）；

（B）與PBS相比，各種制劑的原位腫瘤抑制率；

（C）全身治療后來自攜帶4T1腫瘤的BALB/c小鼠的典型原位腫瘤；

（D, E）H＆E和TUNEL用于每組中的原位腫瘤。

圖六、Pt(lau)HSA NPs和NPs/Rex等組對抗肺癌轉移的治療效果
（A）化療后4T1荷瘤BALB/c小鼠的肺轉移性結節數（n = 5）；

（B）與PBS相比，各種制劑的轉移性結節抑制率；

（C）來自4T1荷瘤BALB/c小鼠全身治療后，具有可視化轉移性結節的肺組織（黑色箭頭）；

（D）每組肺部轉移性結節的H＆E染色。

【小結】

? ? ? ? 綜上所述，作者成功合成了一種新型的氧化還原反應性Pt(IV)前藥，即Pt(lau)，它能夠通過疏水相互作用和氫鍵網絡與HSA對接，形成Pt(lau)HSA NPs。同時，為了明確定位原位腫瘤和乳腺癌的轉移性肺，作者又設計了一種來源于巨噬細胞的外泌體Rex以封裝對接的NPs。作者通過一系列系統的實驗研究，發現Pt(lau)HSA NPs外泌體平臺(NPs/Rex)具有很好的抗腫瘤效果。首先，在血液系統中這種仿生涂層NPs/Rex的循環時間更長、生物安全性更高，可以優先在腫瘤部位積聚，尤其是在原位脂肪墊和轉移性肺中。然后，快速高效地內化到腫瘤細胞中。接著，由于Pt(lau)與胞質還原劑的發生氧化還原反應，該納米平臺能夠分解并釋放其活性藥物核心，從而觸發凋亡信號，抑制細胞增殖，完成乳腺癌的殺傷任務。由于Rex在肺組織中具有良好的聚集能力，NPs/Rex可以進一步應用于非小細胞肺癌(NSCLC)的治療。此外，來源于巨噬細胞的外泌體也被證明不經任何修飾就能穿透哺乳動物血腦屏障，因此該平臺在治療中樞神經系統(CNS)疾病方面也有很大的前景。

文獻鏈接：Pursuing Specific Chemotherapy of Orthotopic Breast Cancer with Lung Metastasis from Docking Nanoparticles Driven by Bioinspired Exosomes（Nano Letter, 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00824）

通訊作者簡介

吳鈞，男，中山大學生物醫學工程學院教授，博士生導師，第十一批青年千人。2016年回國前于美國哈佛大學醫學院及麻省理工學院Robert Langer及Omid Farokhzad實驗室擔任博士后研究員及講師。2016年1月起全職擔任中山大學教授，研究涉及生物材料、藥物控釋、組織工程及納米醫學等前沿尖端領域。吳鈞教授結合功能高分子材料、藥物傳遞、組織工程及納米醫學幾個方向，圍繞“新型生物可降解功能高分子在藥物傳遞及組織工程中的應用”等研究熱點，主要致力于：1）開發用于癌癥治療的新型生物安全的納米緩控釋藥物體系；2）研制用于糖尿病或癌癥治療的新型口服蛋白類納米遞藥體系；3）發展新型生物相容性高、性能可調控的水凝膠及納米纖維支架材料用于傷口愈合，骨修復及再生，干細胞調控分化等組織工程研究及透皮藥物遞送研究，取得了一系列重要研究進展和研究成果，先后在Chem. Rev.、Adv. Drug. Deliv. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Letters、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、J. Control. Release等國際著名期刊雜志發表SCI論文約90篇，論文引用約5500次，申請國際國內專利約10項。

本文由材料人CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.