Accounts Chem. Res. ：腫瘤血管靶向的智能納米治療劑

Accounts Chem. Res. ：腫瘤血管靶向的智能納米治療劑

【引言】

? 過去的幾十年見證了腫瘤血管靶向治療領域的發展。與傳統的化療藥物需要滲透到腫瘤組織中殺死腫瘤細胞相比，靶向腫瘤血管系統的藥物有兩大優點：直接與血管內皮細胞或血液接觸，誘導耐藥的可能性較低和內皮細胞的高基因穩定性。盡管各種血管生成抑制劑（AIS）和血管阻斷劑（VDAS）可以阻斷腫瘤的血液供應，抑制腫瘤的惡性增殖，其中一些治療劑已經在臨床上得到應用，然而，非靶向效應和高有效劑量限制了這些制劑在癌癥患者中的應用。因此，腫瘤血管靶向治療需要新的策略來提高療效和安全性。隨著納米技術的迅速發展，智能納米治療技術在腫瘤血管靶向治療方面提供了前所未有的潛力。基于腫瘤血管的特殊結構和功能特點，人們提出了多種不同的納米治療劑構建方法用于抗腫瘤治療研究。【成果簡介】

? 近日，華中科技大學楊祥良教授，國家納米科學中心聶廣軍研究員和李素萍研究員（共同通訊作者）對以腫瘤血管為靶點的智能納米療法進行了綜述，文章發表在Accounts Chem. Res.。該文章總結了幾種不同的血管靶向治療策略，用不同的智能納米治療劑調節腫瘤血管，以確保開發技術能夠安全有效的治療腫瘤。受凝血級聯反應的啟發，該研究組開發了納米顆粒介導的腫瘤血管梗死策略，選擇性地阻斷腫瘤血供，使腫瘤饑餓壞死。通過DNA納米機器人（Nanorobot-Th）特異性的將凝血酶輸送到腫瘤血管，觸發腫瘤內形成血栓，導致血管梗死，最終誘導腫瘤壞死。模擬凝血級聯，一種智能聚合物納米凝膠實現了肝臟腫瘤的永久性和周邊栓塞。考慮到血小板在維持腫瘤血管完整性中的重要作用，該研究組還開發了一種混合型納米顆粒（PLP-D-R）選擇性的刪除腫瘤血管內血小板（TAP）以提高血管通透性，增強瘤內藥物累積。此外，由于對血管正常化的分子和細胞基礎有了更深入的了解，該研究組開發了幾種腫瘤酸性反應納米治療劑、包封治療肽和小干擾RNA來糾正腫瘤的異常特征。劃船。這使得腫瘤血管的藥物傳遞效率更高。雖然我們仍在探索這些新型納米制劑的作用機制，但我們希望本文總結的腫瘤血管靶向策略將為設計有效的下一代抗癌納米藥物載體和促進智能納米療法的臨床轉化提供支撐平臺。

【圖文簡介】

圖1 用裝載凝血酶的DNA納米粒（納米機器人-Th）選擇性阻斷腫瘤血管

圖2 納米機器人-Th的設計與表征

（a）裝載凝血酶的DNA折紙納米機器人結構示意圖。

（b）用原子力顯微鏡表征關閉和打開狀態下的DNA納米機器人；比例尺為100 nm。

圖3 Ivalon, Lipiodo和PIBI-6150的栓塞機制

圖4 PIBI-2240納米凝膠改善TAE治療后腫瘤缺氧

圖5 GNP@PNA用于血管栓塞和x線血管造影的示意圖

圖6 NP-NGBR-SIRNA的制備及作用機理示意圖

圖7納米治療劑（PLP-D-R）靶向清除腫瘤血管內血小板，增強化療藥物瘤內累積

（A）PLP-D-R的設計思路。

（B）提出PLP-D-R在體內腫瘤血管中的作用機制。

（C）用生理鹽水、PLP、DOX、R300、PLP-D、PL-D-R或PLP-D-R治療MCF7小鼠腫瘤模型后的腫瘤體積

（D）顯示有轉移的代表性肺的圖像。

【小結與展望】

? 本文總結的上述智能納米治療劑，它們是通過操縱腫瘤血管特性達到有效腫瘤治療的不同策略的范例。盡管這些智能納米制劑具有安全、高效的體內治療效果，但它們亦具有各自的局限性。對于利用PH作為觸發因子的納米治療劑（TTF-PHLIP、NP-NGBR-SIRNA、DEAPC16Y-NPS），它們有一個共同的特異性問題，例如，除了腫瘤部位外，炎癥組織的PH微環境也呈現微酸性，這在一定程度上會導致低PH響應性納米治療藥物的非特異性累積。使用PIB納米凝膠作為栓塞劑，經驗豐富的手術操作人員是TAE或TACE成功治療的關鍵，。此外，實現大規模生產納米治療藥物對于大型動物模型的臨床前試驗也是必不可少的，更不用說臨床試驗所需的數量了。這些關鍵的挑戰仍然需要在納米藥物能夠成功進入臨床應用前解決。

??許多新的納米基礎療法設想，將進一步豐富本文總結的以上策略。譬如，利用TF或凝血酶負載PIB納米凝膠，將實現物理栓塞和生物凝固的聯合應用，達到協同阻塞腫瘤血管的科學目的。在海藻酸鈣微球內包裹放射性镥納米顆粒和不透射線鉭納米顆粒，可以制備獲得納米-微米結構，用于TAE和放射聯合治療。獨特的生物分子或細胞成份，如E-選擇素、CD105、纖維蛋白、腫瘤相關周細胞和內皮細胞，可以被納米治療藥物特異性靶向，進一步增加腫瘤血管通透性。由于免疫效應細胞的瘤內滲透受到功能失調的腫瘤血管的嚴重阻礙，利用智能納米試劑提高免疫細胞的腫瘤血管通透性將是一種很有前景的免疫療法。

文獻鏈接：Smart Nanotherapeutic Targeting of Tumor Vasculature, 2019, Accounts Chem. Res., DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00283.

楊祥良教授，博士生導師，華中學者（領軍崗），任國家納米藥物工程技術研究中心主任、國家重點研發計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員、“納米研究”國家重大科學研究計劃“肝癌治療的新型納米藥物研究”項目首席科學家。團隊研究工作主要圍繞納米藥物制劑、納米醫用材料、納米診斷檢測技術等方面展開。已在Nature Biomedical Engineering, Accounts of Chemical Research, Nature Communications, Advanced Science, ACS Nano, Nano Letters, Advanced Functional Materials等一流學術期刊上發表論文300余篇，他引8600余次，H-index為54，2014-2018年連續五年入選中國高被引學者榜單(藥理學，毒理學和藥劑學)。

相關工作匯總：

經導管動脈栓塞（TAE）是一種在醫學影像設備的引導下，通過導管選擇性地將栓塞劑注入靶動脈，以阻斷靶動脈進行腫瘤治療的技術。TAE被認為是一種革命性的腫瘤治療方法，其療效迅速，并發癥發生率低，且易于與其它治療方法結合。例如，TAE與化療藥物的結合，也被稱為經導管動脈化療栓塞（TACE），是不可切除肝細胞癌（HCC）一線姑息療法的金標準治療方案。但是，目前TAE和TACE臨床療效嚴重受限于血管栓塞劑。臨床上廣泛使用的固體栓塞劑（包括明膠海綿、聚乙烯醇微顆粒、海藻酸鈣微球）和液體栓塞劑（包括無水酒精和碘油）都有明顯的缺點：固體栓塞劑具備較好的栓塞性，可以栓塞腫瘤大血管但很難同時實現末梢血管栓塞；液體栓塞劑具備較好的流動性，可以栓塞腫瘤末梢血管但面臨栓塞強度較低的問題。這些栓塞劑無法同時兼顧栓塞性和流動性，栓塞不足常引起腫瘤血管再通和腫瘤內血液循環，最終導致腫瘤的復發和轉移。受血液凝固級聯反應的啟發，楊祥良教授和趙彥兵教授課題組與華中科技大學附屬協和醫院鄭傳勝教授合作2011年基于聚（N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸丁酯）（PIB）研發了一種智能納米凝膠。該納米凝膠展示出獨特的溫度觸發的溶膠-凝膠相轉變過程，可實現肝癌大血管和末梢血管永久性同步栓塞。這種新型血管栓塞劑PIB納米凝膠有效的解決了介入治療流動性和栓塞性的矛盾。團隊研制擁有自主知識產權、效果顯著優于現有國內外產品的新型肝癌介入栓塞材料，近10年在Advanced Functional Materials，Theranostics，Journal of Controlled Release等高水平雜志上發表論文近20篇。更重要的是，該團隊掌握核心材料的小試、中試及放大生產的工藝研究、驗證及質量控制的關鍵技術，有望打破我國肝癌介入治療嚴重依賴進口碘油的卡脖子現狀。

• Yanbing Zhao, Chuansheng Zheng, Qin Wang, Jianlin Fang, Guofeng Zhou, Hui Zhao, Yajiang Yang, Huibi Xu, Gansheng Feng*, Xiangliang Yang*, Advanced Functional Materials, 2011, 21(11), 2035-2042
• Huabing Chen, Hongda Zhu, Jingdong Hu, Yanbing Zhao, Qin Wang, Jiangling Wan, Yajiang Yang, Huibi Xu, Xiangliang Yang*, ACS Nano, 2011, 5(4), 2671-2680
• Lingyu Jiang, Qing Zhou, Ketao Mu, Hui Xie, Yanhong Zhu, Wenzhen Zhu, Yanbing Zhao*, Huibi Xu, Xiangliang Yang*, Biomaterials, 2013, 34(30), 7418-7428
• Kun Qian, Yingying Ma, Jiangshan Wan, Shinan Geng, Han Li, Qianwen Fu, Xiaole Peng, Xuefeng Kan, Guofeng Zhou, Wei Liu, Bin Xiong, Yanbing Zhao*, Chuansheng Zheng*, Xiangliang Yang*, Huibi Xu, Journal of Controlled Release, 2015, 212, 41-49
• Hao Yang, Qin Wang, Zifu Li, Fuying Li, Di Wu, Man Fan, Anbi Zheng, Bo Huang, Lu Gan*, Yuliang Zhao*, Xiangliang Yang*, Nano Letters, 2018,18(12),7909-7918
• Jian Zeng, Ling Li, Hongsen Zhang, Jianye Li, Lingli Liu, Guofeng Zhou, Qing Du*, Chuansheng Zheng*, Xiangliang Yang*, Theranostics, 2018, 8(17), 4591-4600
• Ling Li, Yiming Liu, Han Li, Xiaopeng Guo, Xiaojun He, Shinan Geng, Hao Zhao, Xiaole Peng, Dingwen Shi, Bin Xiong, Guofeng Zhou, Yanbing Zhao*, Chuansheng Zheng*, Xiangliang Yang*, Theranostics, 2018, 8(22), 6291-6306

為促進侵襲與轉移，腫瘤發展出一種獨特的血管新生模式，通過在已有的毛細血管上萌芽形成新的血管。這些新生血管迂曲、滲漏，結構完整性差，內皮細胞間隙大，平滑肌細胞缺失，周細胞和基底膜覆蓋不全。與正常的血管系統不同，腫瘤血管中的血流并不總是沿著固定的、單向的軌跡流動；并非所有的血管都灌注良好，血流可能在短時間內通過同一根血管走不同的路徑，甚至在相反的方向流動。腫瘤血管結構和功能性異常導致蛇形血流和灌注不良，形成一種獨特的微環境（腫瘤微環境；TME），表現為乏氧、高凝和免疫抑制。楊祥良教授和李子福教授課題組巧妙的利用臨床常用的高壓氧治療降低腫瘤血管中血液黏度、提高血流灌注、改善腫瘤微環境、顯著增強納米藥物抗腫瘤療效，相關研究工作發表在Advanced Science。

Xian Wu, Yanhong Zhu, Wei Huang, Jingqiu Li, Bixiang Zhang, Zifu Li*, Xiangliang Yang*, Advanced Science, 2018, 5(8), 1700859

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聶廣軍研究員，博士生導師，國家納米科學中心，國家杰出青年基金獲得者，團隊在材料學、納米藥物、腫瘤學等領域具有長期的積累和雄厚的實力。近年來，團隊在科技部973項目、國家重點研發計劃（納米科技、戰略性國際科技創新合作重點專項）、國家自然基金委創新群體項目、國家杰出青年基金項目等資助下致力于發展腫瘤微環境調控的智能納米藥物。相關成果發表在國際權威期刊Nat Biotechnol, Nat Biomed Eng, JACS, Angew Chem Int Ed, Blood, Adv Mater, Acc Chem Res等。被 Nat Mater，Sci Transl Med, Blood，ChemSoc Rev，Materials View 等期刊作為研究亮點報道, 評價為“landmark里程牌”；被美國The Scientist評選為2018年技術進步（Technical Advances），并榮獲2018年度中國科學十大進展。申請發明專利35項（授權中國發明專利22 項，授權美國專利2 項）。其中，基于腫瘤血管調控的2項納米藥物專利已完成轉讓，目前與北京華安科創合作開展相關納米藥物的產業化和臨床前研究。

李素萍研究員，博士生導師，國家納米科學中心，團隊主要從事抗腫瘤納米藥物研究，設計構建靶向調控腫瘤血管系統的納米藥物載體。在應用納米技術發展新一代抗腫瘤藥物方面取得一系列原創性成果，并積極推動全新抗腫瘤納米藥物的臨床前轉化。代表性科研成果主要發表在Nat Biotechnol, Nat Biomed Eng, Nano Letters、Acc Chem Res等重要學術期刊。發表成果被Nature Reviews Cancer, Nature Reviews Drug Discovery, Sci Transl Med等期刊進行亮點報道，被評價為“landmark里程牌”式工作；入選2018年中國科學十大進展；入選2018年中科院第一屆“率先杯”未來科技創新大賽優勝獎項（團隊獎，獲得100萬科研項目資助）；被美國The Scientists評選為2018年“世界七大技術進步（Top Technical Advances）”。應邀為Science Advances、Trends in Biotechnology等期刊撰寫綜述5篇；授權中國發明專利4項，實現專利轉讓2項；授權美國專利、日本專利各1項。

相關工作匯總：

腫瘤血管系統既是腫瘤組織獲取營養物質和氧氣的主要場所，也是腫瘤排走代謝產物、腫瘤細胞逃逸、轉移的通道，因而腫瘤血管成為腫瘤靶向治療的良好靶點。腫瘤血管靶向治療主要包括兩種策略：抗新生血管生成的治療和阻斷腫瘤血供的治療。阻斷腫瘤血供治療法是通過栓塞已經存在的血管，使腫瘤細胞因缺乏營養和氧氣饑餓而死。該治療方法針對的靶點是血液成分，因而不易產生耐藥性，適用范圍廣泛。對臨床大多數癌癥患者而言，藥物所針對的都是已經血管化的腫瘤。因此，阻斷腫瘤血供療法呈現出較好的臨床應用前景。凝血酶（thrombin）又稱凝血因子IIa，是機體凝血系統的一種關鍵酶。它一方面可直接作用于血液中的纖維蛋白原，使之轉變為纖維蛋白，形成纖維蛋白凝膠，另一方面則通過受體介導途徑誘導血小板活化，活化的血小板發生聚集，在纖維蛋白凝膠網的作用下形成血小板血栓，之后血液中其他有形成分的加入導致穩定血栓的形成。因此，作為一種有效的促凝劑，凝血酶在不需要其它眾多凝血因子參與的情況下，快速而高效的誘導血栓的形成。那么，如果將凝血酶作為促凝藥物靶向遞送到腫瘤血管中，無疑可有效阻斷腫瘤血供，達到治療腫瘤的目的。然而，凝血酶自身的高促凝活性使其不適于靜脈注射，再者，凝血酶在血液中的半衰期較短。因此，如何實現凝血酶的靜脈注射以及對腫瘤組織的靶向輸送是將其應用于腫瘤治療的關鍵技術挑戰。本研究團隊利用納米技術，通過設計和調節納米特性，制備多功能、生物相容性好的納米藥物載體，將凝血酶靶向遞送到腫瘤血管，有效誘導腫瘤組織內形成血栓，阻斷血供，抑制腫瘤惡性增殖。

血小板在維持腫瘤血管完整性以及促進腫瘤細胞轉移過程中起著至關重要的作用，循環中血小板的清除不但可以誘發腫瘤血管破裂，同時也可以有效抑制腫瘤細胞的轉移。然而目前為止，尚不能實現血小板在腫瘤組織中的特異性清除，納米藥物載體技術為藥物的靶向輸運開辟了新途徑。因此，本研究團隊借助納米載藥系統實現抗血小板抗體和化療藥物的同步靶向輸運，選擇性清除腫瘤組織局部的血小板，進而實現抗血小板治療和化療的聯合增效以及對腫瘤轉移的抑制，該方法不但避免了以往全身性清除血小板帶來的出血性風險，改善和提高了化療藥物的選擇性，而且實現了有效抑制腫瘤生長和轉移的雙效作用，為徹底治愈腫瘤帶來新的希望。近五年，本研究組在以上研究方向已經取得具有一定國際影響力的研究成果，其中代表性成果相繼發表在Nat Biotechnol, Nat Biomed Eng, Angew Chem Int Ed, Nano Letters等權威期刊。

Recommended Publications:

1) Suping Li, Qiao Jiang, Shaoli Liu, Yinlong Zhang, Yanhua Tian, Chen Song, Jing Wang, Yiguo Zou, Gregory J Anderson, Jing-Yan Han, Yung Chang, Yan Liu, Chen Zhang, Liang Chen, Guangbiao Zhou, Guangjun Nie*, Hao Yan*, Baoquan Ding*, Yuliang Zhao*, A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo, Nature Biotechnology 2018, 36: 258–264.

2) Suping Li, Yinlong Zhang, Jing Wang, Ying Zhao, Tianjiao Ji, Xiao Zhao, Yanping Ding, Xiaozheng Zhao, Ruifang Zhao, Feng Li, Xiao Yang, Shaoli Liu, Zhaofei Liu, Jianhao Lai, Andrew K. Whittaker, Gregory J Anderson, Jingyan Wei, Guangjun Nie*, Nanoparticle-mediated local depletion of tumour-associated platelets disrupts vascular barriers and augments drug accumulation in tumours. Nature Biomedical Engineering 2017, 1: 667-679.

3) Shaoli Liu, Yinlong Zhang, Xiao Zhao,Jing Wang, Chunzhi Di, Ying Zhao, Tianjiao Ji, Keman Cheng, Yongwei Wang, Long Chen, Yingqiu Qi, Suping Li*, Guangjun Nie*. Tumor-Specific Silencing of Tissue Factor Suppresses Metastasis and Prevents Cancer-Associated Hypercoagulability. Nano Letters, 2019, 19, 7, 4721-4730.

4) Suping Li^1,2#, Qiao Jiang^1,2#, Baoquan Ding^1,2*, Guangjun Nie^1,2,3*. Anticancer Activities of Tumor-killing Nanorobots. Trends in Biotechnology, 2019, 6(37): 573-577

5) Zifu Li^1,2, Chunzhi Di^3,4, Suping Li^3,4*, Xiangliang Yang^1,2* and Guangjun Nie^3,4,5*. Smart Nanotherapeutics Targeting of Tumor Vasculature. Accounts of Chemical Research, 2019, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00283

6) Quanwei Shi, Yinlong Zhang, Shaoli Liu, Guangna Liu, Junchao Xu, Xiao Zhao, Gregory J. Anderson, Guangjun Nie*, Suping Li*. Specific tissue factor delivery using a tumor-homing peptide for inducing tumor infarction. Biochemical Pharmacology, 2018, 156:501-510.

7) Yinlong Zhang ;Jingyan Wei; Shaoli Liu; Jing Wang; Xuexiang Han; Hao Qin; Jiayan Lang; Keman Cheng; Yiye Li;Yingqiu Qi; Greg J Anderson; Saraswati Sukumar; Suping Li*, Guangjun Nie*. Inhibition of platelet function using liposomal nanoparticles blocks tumor metastasis. Theranostics, 2017,7(5): 1062-1071

8) Yinlong Zhang, Jingyan Wei, Jiaqi Xu, Wei Sun Leong, Guangna Liu, Tianjiao Ji, Zhiqiang Cheng, Jing Wang, Jiayan Lang, Ying Zhao, Linhao You, Xiao Zhao, Taotao Wei, Greg J. Anderson, Sheng Qi, Jing Kong, Guangjun Nie,* and Suping Li*. Suppression of Tumor Energy Supply by Liposomal Nanoparticle-Mediated Inhibition of Aerobic Glycolysis. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018, 10, 2347?2353.