郑州大学张振中教授课题组Nano Lett.:连续细胞间纳米递送系统用于增强ROS诱导的抗肿瘤治疗

【引言】

活性氧（ROS），包括单线态氧（¹O₂）、超氧自由基（O₂^•-）、羟基自由基（•OH）和过氧化物（O₂^2-），在细胞生命周期中发挥着重要作用。较低浓度时，ROS可作为细胞内的关键信号分子以调节细胞的生长、增殖和分化。然而，细胞内的ROS异常产生将导致脂质、蛋白质或和DNA的氧化损伤。正常情况下，细胞能够平衡这种氧化损伤以保护细胞免于死亡。但是，过量的ROS产生将打破这种氧化平衡，从而对细胞产生不可逆的氧化损伤并最终导致细胞凋亡。突破ROS平衡的阈值以诱导肿瘤细胞死亡已广泛应用于癌症的治疗。光动力疗法（PDT）作为一种代表性的利用ROS进行癌症治疗的方法，其具有巨大的抗肿瘤治疗潜力，同时具有较低毒副作用，且不易产生耐药。尽管早已被FDA批准用于临床上癌症的治疗，但大多数情况下PDT仍难产生足够的治疗效率以作为一线的癌症治疗手段。

缺氧作为许多实体肿瘤中常见的病理特征，已被广泛认为是PDT在癌症治疗中临床结果欠佳的主要原因。为了解决这一问题，科研工作者投入大量精力以缓解肿瘤组织的缺氧状况，如利用全氟化碳作为氧自供应系统¹或应用催化剂在肿瘤内原位产生氧²。然而，这些策略仍然是基于复杂的光敏效应产生ROS的。为了进一步扩大ROS的产生，研究工作已设计出不依赖于O₂的ROS产生策略以完全克服低氧诱导的PDT抗性。例如，Qu等人应用纳米酶来催化细胞内生化反应以产生ROS，从而诱导缺氧肿瘤组织内的细胞氧化损伤³。虽然这些方法在一定程度上提高了肿瘤组织内的ROS产生，但人们常常忽略是，肿瘤缺氧区域往往位于肿瘤的深处，因此静脉注射的药物载体或药物通常是难以接近的⁴。肿瘤微血管异常以及细胞到血管的扩散距离增加导致氧供应不足的同时，使药物或纳米颗粒也很难到达肿瘤深部细胞。因此，一个理想的ROS抗肿瘤治疗手段不仅能在缺氧肿瘤组织内高效的产生ROS，同时能有效的将ROS产生剂转运至肿瘤深部。

【成果简介】

近日，郑州大学张振中教授课题组构建了一种连续性细胞间递送的纳米系统（MFLs/LAOOH@DOX），其以膜融合脂质体为载体，同时在在脂质体磷脂双分子层及水溶性内核中分别包载亚油酸过氧化物（LAOOH）和抗肿瘤药物多柔比星（DOX）。在这项研究中，作者选用体内脂质过氧化主要产物之一LAOOH作为ROS产生剂，其主要是依赖于Fe²⁺而不是氧和其他外部刺激产生ROS的。得益于肿瘤组织特有的强渗透性和高滞留性，MFLs/LAOOH@DOX首先与血管周围的肿瘤细胞膜融合，同时选择性将LAOOH递送至质膜，并在细胞内如需释放DOX。作为细胞膜天然成分的LAOOH，通过搭乘细胞外囊泡逐渐蔓延到邻近细胞，并最终扩散到整个肿瘤。结合随后的纳米Fe₃O₄，LAOOH在整个肿瘤组织中的肿瘤细胞膜上特异性地产生ROS。该研究为增强基于ROS的抗肿瘤治疗的效率提供了一种新方法。该成果以题为“Sequential Intercellular Delivery Nanosystem for Enhancing ROS-Induced Antitumor Therapy”发表在Nano Lett.(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31034238)上。

【图文导读】

Scheme 1.基于MFLs的抗癌药物递送系统用于治疗恶性肿瘤的示意图

Scheme 2.MFLs和传统脂质体（CLs）的细胞内在化方式示意图

Figure 1. 制剂的表征

(a).MFLs的TEM图像

(b,c).MFLs的粒径和Zeta电位

(d).不同pH下LAOOH的ROS产生能力考察

(e).DOX释放曲线

Figure 2.MFLs/LAOOH在细胞水平产生ROS能力的考察

(a).CLSM检测MFLs/LAOOH在4T1细胞ROS产生的能力

(b).流式细胞仪分析ROS产生量

Figure 3.细胞内在化方式和细胞毒性分析

(a). 利用CLSM考察CLs和MFLs的内在化方式

(b). 4T1细胞的Annexin V/PI染色

Figure 4.Transwell实验

(a). Transwell实验示意图

(b). CLSM考察下室细胞的荧光强度及其分布

(c). 下室细胞ROS产生量考察

Figure 5.MFLs在体外3D肿瘤细胞球的渗透性考察

(a). CLs和MFLs在3D肿瘤细胞球内的渗透性考察

(b).经不同制剂处理后肿瘤细胞球的3D图

Figure 6.基于MFLs的纳米药物递送系统在斑马鱼胚胎中的渗透能力

(a).不同制剂处理后斑马鱼胚胎的荧光分布图

(b).使用负载PI的脂质体以评估核内递送

Figure 7.体内实验

(a).考察不同制剂对4T1肿瘤异种移植模型的治疗效果

(b).治疗后小鼠心脏毒副作用的考察

(c).体内考察CLs和MFLs在肿瘤组织内的渗透性

【小结】

在这个研究中，作者选择亚油酸氢过氧化物（LAOOH）作为ROS的产生试剂。与常规光敏剂（PS）相比，其产生的ROS是由Fe2+催化的，并不依赖于氧气或其他外部刺激。考虑到缺氧区域通常位于肿瘤深处并且难以接近的事实，作者开发了一种基于膜融合脂质体的纳米递送体系，以在细胞间进行连续性传递，其中LAOOH被负载到磷脂双层中同时DOX被包封到MFLs的亲水核心中（MFLs/LAOOH@DOX）。所制备的的MFLs/LAOOH@DOX能够选择性将LAOOH递送到肿瘤细胞的质膜中，伴随着DOX如需细胞内释放以诱导细胞死亡。基于细胞外分泌囊泡（EVs）介导的细胞间脂质交换，LAOOH最终逐渐分布在整个肿瘤中。这种连续的细胞间递送系统通过同时改善ROS产率和肿瘤分布来提供增强ROS诱导的抗肿瘤功效。

Sequential Intercellular Delivery Nanosystem for Enhancing ROS-Induced Antitumor Therapy

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

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