中國藥大姚靜Nano Lett.：可程序化改善腫瘤藥物遞送的類蛋白質納米轉化器

【研究背景】

納米藥物由于其更好的藥物傳遞能力，在癌癥治療中顯示出卓越的優勢。然而，藥物轉運的生物障礙，包括網狀內皮系統（RES）的消除、腫瘤細胞攝取效率低、溶酶體藥物失活、腫瘤細胞有效載荷釋放無效以及腫瘤穿透力減弱，阻礙了納米藥物的成功治療。以往的研究表明，親水性顆粒表面有利于延長血液循環和有效的細胞內藥物釋放，而疏水性顆粒表面更有利于腫瘤細胞的有效內吞。此外，超大尺寸的納米藥物通過機械破壞溶酶體膜容易從溶酶體逃逸，而小尺寸的納米藥物可以有效地將藥物輸送到腫瘤細胞深層，并在細胞質中迅速釋放。顯然，為了滿足所有這些矛盾和復雜的要求，以相繼克服上述每一種生物屏障，納米藥物需要通過改變其物理或表面性質（如變形金剛）來保持對不同體內生物環境的快速反應。盡管一些刺激反應或活性靶向納米藥物克服了上述一到兩個藥物傳遞難題，包括復雜的納米材料合成和延遲的刺激反應化學反應（需要幾個小時才能去除外層）等問題限制了全功能納米藥物的開發及其臨床轉化。

【成果簡介】

近日，中國藥科大學姚靜教授通過組裝阿霉素、單寧酸和吲哚菁綠來制備納米轉換器（DTIG），以克服這一難題。親水性DTIG可延長血液循環時間，此外還在酸性腫瘤微環境中轉化為疏水性顆粒，被腫瘤細胞有效內化。隨后，在酸性溶酶體中進一步形成過大的疏水顆粒，通過破裂溶酶體逃逸。這些疏水性DTIGs能迅速回復到較小的親水性納米組裝體，并在細胞質中釋放有效載荷。由于質子的作用，這些轉化具有類似于蛋白質的變性和復性。此外，DTIG光熱療法可提高藥物在腫瘤中的滲透效率。這種優化的DTIG給藥工藝最終提供了有效的抗腫瘤療效和明顯的預后優勢。該文章近日以題為“Transforming Complexity to Simplicity: Protein-Like Nanotransformer for Improving Tumor Drug Delivery Programmatically”發表在知名期刊Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一、DTIG的分子自組裝、轉變及治療機制

（a）分步組裝過程和酸性環境誘導DTIG的重組過程。

（b）DTIG的腫瘤傳遞和腫瘤細胞攝取。

（c）DTIG的細胞內轉移、溶酶體逃逸和激光促進藥物釋放過程。

（d）光熱（PT）作用引起的腫瘤滲透。

圖二、DTIG的表征和自組裝機制

（a）DTIG的TEM圖像。

（b）DTIG的AFM圖像。

（c）DOX，TA，ICG，DT和DTIG的紅外光譜。

（d）DT的組裝機制，包括 π?π作用和電子相互作用。

（e）DOX、TA、ICG、DT和DTIG的熒光光譜。

（f）DOX，TA，ICG，DT和DTIG的紫外光譜。

（g）DTIG的組裝機制。

（h）DT和DTIG的帶隙分析。

（i）利用Amber軟件對DOX分子、TA和ICG的組裝模擬。

圖三、DTIG的質子觸發轉變機制

（a）DTIG在不同環境中的尺寸變化。插圖為不同DTIG照片。

（b）rDTIG和DTIG在pH 6.5和pH 4.5 PBS中的TEM圖像。

（c）rDTIG和DTIG在pH 6.5和pH 4.5 PBS中的AFM圖像。

（d）DTIG、DT、DOX、TA和ICG在pH 6.5 PBS中的紫外光譜。

（e）DTIG、DT、DOX、TA和ICG在pH 4.5 PBS中的紫外光譜。

（f）DTIG和DTIG-pH 4.5的XRD譜圖。

（g）DTIG在pH 4.5 PBS（DTIG-pH4.5）和rDTIG中的紫外光譜。

（h）DTIG處理MCF7細胞0.5、1.5和4h后的TEM圖像。

（i）在有無激光照射（808nm，1.6w cm^-2，5min）條件下，不同pH值PBS中DTIG的DOX釋放。

（j）在有無激光照射（808nm，1.6w cm^-2，5min）條件下，不同pH值PBS中DTIG的ICG釋放。

（k）在有無激光照射（808nm，1.6w cm^-2，5min）條件下，rDTIG的DOX釋放。

（l）在有無激光照射（808nm，1.6w cm^-2，5min）條件下，rDTIG的ICG釋放。

（m）在有無激光照射（808nm，1.6w cm^-2，5min）條件下，DTIG在MCF7細胞中的藥物釋放。

圖四、DTIG的細胞攝取、細胞毒性、溶酶體逃逸和腫瘤穿透實驗

（a）不同pH下DTIG和LIBOd的細胞攝取。

（b）DTIG在MCF7細胞中的溶酶體逃逸行為。

（c）DTIG+激光的細胞毒性。

（d）CompuSyn分析得到的DOX與ICG+激光聯合治療的CI圖。

（e）用MTS觀察DOX、DTIG和DTIG+激光的穿透效應。

（f）用DTIG、DTIG+激光和LIBOd治療24小時的小鼠腫瘤的CLSM，CD31（綠色）標記腫瘤血管部位。

圖五、DTIG的體內腫瘤分布、藥代動力學和抗腫瘤作用

（a）MCF7荷瘤小鼠靜脈注射DTIG和游離ICG后6、24、48h的體內熒光成像。

（b）DTIG和DOX的藥物濃度-時間曲線。

（c）不同實驗組的MCF7腫瘤生長曲線。

（d）治療過程中各組腫瘤生長速度。

（e）MCF7荷瘤小鼠腫瘤剝脫的組織病理學檢測。

（f）用TUNEL法檢測MCF7荷瘤小鼠的腫瘤。

（g）Ki67法檢測MCF7荷瘤小鼠腫瘤。

【結論展望】

綜上所述，作者構建了一種由DOX、TA和ICG組裝的納米轉化器DTIG。由于可逆的親水-疏水轉換和重組-再組裝過程，DTIG程序化地延長了血液循環時間、增加了細胞攝取、快速溶酶體逃逸和精確的細胞內有效載荷釋放。機理研究表明，這些快速的、多性質的轉變只有在質子濃度的作用下才會被激活。高質子濃度可引起DTIG的疏水重組。可逆地，DTIG在逃離高質子濃度環境后，能恢復親水結構，有效釋放載荷。體外和體內藥效學研究表明，DTIG+激光治療具有良好的聯合治療效果和藥物滲透性。與以往需要較長時間進行化學反應的刺激反應性納米藥物相比，DTIG顯示出僅需幾分鐘的快速反應。DTIG的制備和組裝條件簡單，符合綠色化學原理。該研究為開發納米藥物提供了一種新的策略，可以通過編程的方式突破不同的腫瘤靶向藥物傳遞障礙。

文獻鏈接：Transforming Complexity to Simplicity: Protein-Like Nanotransformer for Improving Tumor Drug Delivery Programmatically?(Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05008)

課題組簡介：

姚靜：教授，藥劑學博士研究生導師，江蘇省藥學會和南京藥學會藥劑專業委員會委員兼秘書。江蘇省“六大人才高峰”高層次人才（2015），江蘇省“333高層次人才培養工程”第3層次培養對象（2013），江蘇省高校“青藍工程”優秀青年骨干教師（2012）；獲中國藥學會-石藥集團青年藥劑學獎（2011），南京市第九屆自然科學優秀學術論文二等獎（2011），中國藥學會科學技術獎三等獎（2007），中國藥科大學教學成果獎二等獎（2009），及美國特品（ISP）獎教金等。

近年承擔各類科研項目20余項，包括主持國家自然科學基金面上項目、“重大新藥創制”國家重大專項子項目、江蘇省自然科學基金面上項目、省級人才項目、國家重點實驗室優秀青年人才基金項目和重大項目子課題、中國藥科大學基本科研業務費培育項目和重大研究計劃培育項目子項目、中國藥科大學—上海強生制藥種子基金等；目前已在J Control Release等藥劑學領域權威雜志發表SCI論文41篇；主編專業著作2部（《藥物凍干制劑技術的設計與應用》和《藥用輔料應用指南》），參編著作3部，參編教材1部；申請專利20項，其中授權專利13項。

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