鄭州大學張振中教授課題組Nano Lett.:連續細胞間納米遞送系統用于增強ROS誘導的抗腫瘤治療

【引言】

活性氧（ROS），包括單線態氧（¹O₂）、超氧自由基（O₂^?-）、羥基自由基（?OH）和過氧化物（O₂^2-），在細胞生命周期中發揮著重要作用。較低濃度時，ROS可作為細胞內的關鍵信號分子以調節細胞的生長、增殖和分化。然而，細胞內的ROS異常產生將導致脂質、蛋白質或和DNA的氧化損傷。正常情況下，細胞能夠平衡這種氧化損傷以保護細胞免于死亡。但是，過量的ROS產生將打破這種氧化平衡，從而對細胞產生不可逆的氧化損傷并最終導致細胞凋亡。突破ROS平衡的閾值以誘導腫瘤細胞死亡已廣泛應用于癌癥的治療。光動力療法（PDT）作為一種代表性的利用ROS進行癌癥治療的方法，其具有巨大的抗腫瘤治療潛力，同時具有較低毒副作用，且不易產生耐藥。盡管早已被FDA批準用于臨床上癌癥的治療，但大多數情況下PDT仍難產生足夠的治療效率以作為一線的癌癥治療手段。

缺氧作為許多實體腫瘤中常見的病理特征，已被廣泛認為是PDT在癌癥治療中臨床結果欠佳的主要原因。為了解決這一問題，科研工作者投入大量精力以緩解腫瘤組織的缺氧狀況，如利用全氟化碳作為氧自供應系統¹或應用催化劑在腫瘤內原位產生氧²。然而，這些策略仍然是基于復雜的光敏效應產生ROS的。為了進一步擴大ROS的產生，研究工作已設計出不依賴于O₂的ROS產生策略以完全克服低氧誘導的PDT抗性。例如，Qu等人應用納米酶來催化細胞內生化反應以產生ROS，從而誘導缺氧腫瘤組織內的細胞氧化損傷³。雖然這些方法在一定程度上提高了腫瘤組織內的ROS產生，但人們常常忽略是，腫瘤缺氧區域往往位于腫瘤的深處，因此靜脈注射的藥物載體或藥物通常是難以接近的⁴。腫瘤微血管異常以及細胞到血管的擴散距離增加導致氧供應不足的同時，使藥物或納米顆粒也很難到達腫瘤深部細胞。因此，一個理想的ROS抗腫瘤治療手段不僅能在缺氧腫瘤組織內高效的產生ROS，同時能有效的將ROS產生劑轉運至腫瘤深部。

【成果簡介】

近日，鄭州大學張振中教授課題組構建了一種連續性細胞間遞送的納米系統（MFLs/LAOOH@DOX），其以膜融合脂質體為載體，同時在在脂質體磷脂雙分子層及水溶性內核中分別包載亞油酸過氧化物（LAOOH）和抗腫瘤藥物多柔比星（DOX）。在這項研究中，作者選用體內脂質過氧化主要產物之一LAOOH作為ROS產生劑，其主要是依賴于Fe²⁺而不是氧和其他外部刺激產生ROS的。得益于腫瘤組織特有的強滲透性和高滯留性，MFLs/LAOOH@DOX首先與血管周圍的腫瘤細胞膜融合，同時選擇性將LAOOH遞送至質膜，并在細胞內如需釋放DOX。作為細胞膜天然成分的LAOOH，通過搭乘細胞外囊泡逐漸蔓延到鄰近細胞，并最終擴散到整個腫瘤。結合隨后的納米Fe₃O₄，LAOOH在整個腫瘤組織中的腫瘤細胞膜上特異性地產生ROS。該研究為增強基于ROS的抗腫瘤治療的效率提供了一種新方法。該成果以題為“Sequential Intercellular Delivery Nanosystem for Enhancing ROS-Induced Antitumor Therapy”發表在Nano Lett.(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31034238)上。

【圖文導讀】

Scheme 1.基于MFLs的抗癌藥物遞送系統用于治療惡性腫瘤的示意圖

Scheme 2.MFLs和傳統脂質體（CLs）的細胞內在化方式示意圖

Figure 1. 制劑的表征

(a).MFLs的TEM圖像

(b,c).MFLs的粒徑和Zeta電位

(d).不同pH下LAOOH的ROS產生能力考察

(e).DOX釋放曲線

Figure 2.MFLs/LAOOH在細胞水平產生ROS能力的考察

(a).CLSM檢測MFLs/LAOOH在4T1細胞ROS產生的能力

(b).流式細胞儀分析ROS產生量

Figure 3.細胞內在化方式和細胞毒性分析

(a). 利用CLSM考察CLs和MFLs的內在化方式

(b). 4T1細胞的Annexin V/PI染色

Figure 4.Transwell實驗

(a). Transwell實驗示意圖

(b). CLSM考察下室細胞的熒光強度及其分布

(c). 下室細胞ROS產生量考察

Figure 5.MFLs在體外3D腫瘤細胞球的滲透性考察

(a). CLs和MFLs在3D腫瘤細胞球內的滲透性考察

(b).經不同制劑處理后腫瘤細胞球的3D圖

Figure 6.基于MFLs的納米藥物遞送系統在斑馬魚胚胎中的滲透能力

(a).不同制劑處理后斑馬魚胚胎的熒光分布圖

(b).使用負載PI的脂質體以評估核內遞送

Figure 7.體內實驗

(a).考察不同制劑對4T1腫瘤異種移植模型的治療效果

(b).治療后小鼠心臟毒副作用的考察

(c).體內考察CLs和MFLs在腫瘤組織內的滲透性

【小結】

在這個研究中，作者選擇亞油酸氫過氧化物（LAOOH）作為ROS的產生試劑。與常規光敏劑（PS）相比，其產生的ROS是由Fe2+催化的，并不依賴于氧氣或其他外部刺激。考慮到缺氧區域通常位于腫瘤深處并且難以接近的事實，作者開發了一種基于膜融合脂質體的納米遞送體系，以在細胞間進行連續性傳遞，其中LAOOH被負載到磷脂雙層中同時DOX被包封到MFLs的親水核心中（MFLs/LAOOH@DOX）。所制備的的MFLs/LAOOH@DOX能夠選擇性將LAOOH遞送到腫瘤細胞的質膜中，伴隨著DOX如需細胞內釋放以誘導細胞死亡。基于細胞外分泌囊泡（EVs）介導的細胞間脂質交換，LAOOH最終逐漸分布在整個腫瘤中。這種連續的細胞間遞送系統通過同時改善ROS產率和腫瘤分布來提供增強ROS誘導的抗腫瘤功效。

Sequential Intercellular Delivery Nanosystem for Enhancing ROS-Induced Antitumor Therapy

(Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00336)

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