譚蔚泓，袁荃 Chem：基于二茂鐵DNA聚合物的尺寸可調組裝體用于腫瘤深層滲透及治療

【研究背景】

聚合物組裝體由于具有合適的尺寸，在制藥領域中受到越來越多的關注。研究表明，由于腫瘤組織周圍的血管通透性比正常組織的更大，100 nm左右的聚合物納米粒子具有較好的ERP效應在腫瘤組織處富集。但是，對于實體瘤而言，腫瘤組織中致密的膠原基質可能阻礙納米藥物的進一步滲透和內化，無法到達腫瘤組織的中心部分，從而降低抗癌劑的功效。一般小于30 nm材料具有良好的腫瘤穿透效果，但這與EPR效應要求的100 nm尺寸相矛盾。兩親聚合物可以通過調節親水/疏水鏈段的比例自組裝成具有不同尺寸的組件，因此，合理設計聚合物的化學結構，形成大小可調的組裝體，有望為上述難題提供解決方案。

【成果簡介】

近期，談潔博士在湖南大學譚蔚泓教授和袁荃教授研究團隊做博士后期間，與研究團隊的多位研究生一起，設計了尺寸可調的核酸適配體-二茂鐵組裝體（ApFA），以解決EPR效應和深層穿透能力之間的沖突。ApFAs中的二茂鐵部分可以進行類Fenton反應，并改變其疏水性，導致ApFAs的尺寸顯著收縮。同時，通過類Fenton反應產生的Fe（III）可用作MRI造影劑，以表征ApFAs在體內的滲透能力。另外，作為芬頓反應的副產物，ApFA系統還可以釋放高毒性羥基自由基，從而誘導腫瘤細胞死亡。作為改進，負載葡萄糖氧化酶（GOD）的ApFAs可催化葡萄糖產生大量H₂O₂，升高的H₂O₂進一步參與ApFA介導的類Fenton反應，釋放出大量高毒性?OH，可顯著提高腫瘤細胞的凋亡效率。將GOD和ApFAs共同遞送至腫瘤細胞時，可以通過ApFAs的大小收縮實現空間均勻的組織穿透效果，并通過產生?OH進行腫瘤治療。該核酸組裝體不僅提供了藥物遞送系統的設計概念，更體現了優異的EPR效應和深層腫瘤滲透能力，為癌癥治療的生物藥劑學提供了有希望的方向。該成果近日以題為“Size-Tunable Assemblies Based on Ferrocene-Containing DNA Polymers for Spatially Uniform Penetration”發表在知名期刊Chem上。

【圖文導讀】

圖一：ApFAs的結構、制備和深層腫瘤穿透示意圖

（A）ApFAs的制備過程示意圖。
（B）ApFAs的深層腫瘤穿透示意圖。

圖二：ApFAs的形態和尺寸分布

（A）核酸適配體-Fen兩親性分子的示意圖。
（B-E）TEM圖像表征核酸適配體-Fen組裝體，其中n=3（B），5（C），7（D）和15（E）。
（F-I）DLS尺寸表征核酸適配體-Fen組裝體ApFAs，其中n=3（B），5（C），7（D）和15（E）。

圖三：Aptamer-Fe₇氧化前后形成的ApFAs結構及理化性質表征

（A）通過類Fenton反應組裝的尺寸減小的示意圖。
（B-G）在不同條件下的ApFAs的TEM圖像（B-D）和相應的尺寸分布（E-G）。（B）和（E）中顯示的是在pH 7.4下不用H₂O₂處理的ApFAs。（C）和（F）中顯示的是用pH 7.4的H₂O₂處理5分鐘的ApFAs。（D和G）用pH 6.0的H₂O₂處理5分鐘的ApFAs。

圖四：體外表征ApFAs的催化性能和抗癌活性

（A）在加入不同濃度的H₂O₂時ApFAs的時間分辨吸光度。
（B-C）ApFAs的米氏動力學和雙倒數法圖像。
（D）在pH 6.0下有/無H₂O₂處理的核酸適配體和ApFAs的T2加權MR圖像。
（E）不同濃度的H₂O₂處理的ApFAs的T2加權MR偽圖。
（F）（E）中不同濃度下相應的定量數據。
（G）在酸性（pH=6.0；紅色）和中性（pH=7.4；黑色）條件下，G-ApFAs（負載0.1 nM GOD的ApFAs）對A549細胞的細胞毒性。
（H）在中性（pH=7.4）和酸性（pH=6.0）條件下與PBS，ApFAs和G-ApFAs共孵育4小時后A549細胞的熒光顯微鏡圖像（DCFH-DA染色）。

圖五：ApFAs對腫瘤組織的滲透

（A-B）（A）僅在PBS中和（B）在含有H₂O₂的PBS中，FAM-ApFAs孵育2小時后在腫瘤組織中的滲透實驗。
（C-D）由白色實線表示的組織上的灰度值的變化。
（E）不含和含有H₂O₂的ApFAs的腫瘤組織穿透模型。
（F-G）分別靜脈內注射PBS、ApFAs和G-ApFAs的A549荷瘤小鼠的HIF-α（F）和VEGF（G）染色。

圖六：G-ApFAs的體內治療效果評估

（A和B）靜脈注射（A）Cy5標記的G-ApFAs和（B）Cy5標記的G-rDNA-Fe后A549荷瘤小鼠的時間依賴性熒光圖像。
（C）通過腫瘤內注射PBS、ApFAs、G-ApFAs和G-rDNA-Fe后A549荷瘤小鼠的體重變化。
（D）通過腫瘤內注射PBS、ApFAs、G-ApFAs和G-rDNA-Fe后A549荷瘤小鼠的腫瘤體積變化。
（E）治療14天后解剖離體腫瘤的照片。

【總結展望】

在該工作中，通過使用含有兩親性二茂鐵的核酸聚合物，開發了尺寸可調的ApFA系統以解決EPR效應和深層腫瘤穿透之間的尺寸沖突。初始ApFAs可通過EPR效應在腫瘤部位累積，當暴露于腫瘤微環境時，ApFAs可以經歷類Fenton反應，實現100 nm至10 nm的顯著尺寸減小，從而提高組件的腫瘤穿透能力。ApFAs還可以在腫瘤微環境中釋放高毒性羥基自由基，基于催化反應實現癌癥治療。總體而言，ApFAs不僅代表具有EPR效應和腫瘤穿透能力的藥物遞送系統，而且還為癌癥治療的生物藥劑學提供了有希望的方向。

文獻鏈接：Size-Tunable Assemblies Based on Ferrocene-Containing DNA Polymers for Spatially Uniform Penetration (Chem, 2019, 5, 1775-1792)

本文由大兵哥供稿。

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