谭蔚泓，袁荃 Chem：基于二茂铁DNA聚合物的尺寸可调组装体用于肿瘤深层渗透及治疗

【研究背景】

聚合物组装体由于具有合适的尺寸，在制药领域中受到越来越多的关注。研究表明，由于肿瘤组织周围的血管通透性比正常组织的更大，100 nm左右的聚合物纳米粒子具有较好的ERP效应在肿瘤组织处富集。但是，对于实体瘤而言，肿瘤组织中致密的胶原基质可能阻碍纳米药物的进一步渗透和内化，无法到达肿瘤组织的中心部分，从而降低抗癌剂的功效。一般小于30 nm材料具有良好的肿瘤穿透效果，但这与EPR效应要求的100 nm尺寸相矛盾。两亲聚合物可以通过调节亲水/疏水链段的比例自组装成具有不同尺寸的组件，因此，合理设计聚合物的化学结构，形成大小可调的组装体，有望为上述难题提供解决方案。

【成果简介】

近期，谈洁博士在湖南大学谭蔚泓教授和袁荃教授研究团队做博士后期间，与研究团队的多位研究生一起，设计了尺寸可调的核酸适配体-二茂铁组装体（ApFA），以解决EPR效应和深层穿透能力之间的冲突。ApFAs中的二茂铁部分可以进行类Fenton反应，并改变其疏水性，导致ApFAs的尺寸显著收缩。同时，通过类Fenton反应产生的Fe（III）可用作MRI造影剂，以表征ApFAs在体内的渗透能力。另外，作为芬顿反应的副产物，ApFA系统还可以释放高毒性羟基自由基，从而诱导肿瘤细胞死亡。作为改进，负载葡萄糖氧化酶（GOD）的ApFAs可催化葡萄糖产生大量H₂O₂，升高的H₂O₂进一步参与ApFA介导的类Fenton反应，释放出大量高毒性•OH，可显著提高肿瘤细胞的凋亡效率。将GOD和ApFAs共同递送至肿瘤细胞时，可以通过ApFAs的大小收缩实现空间均匀的组织穿透效果，并通过产生•OH进行肿瘤治疗。该核酸组装体不仅提供了药物递送系统的设计概念，更体现了优异的EPR效应和深层肿瘤渗透能力，为癌症治疗的生物药剂学提供了有希望的方向。该成果近日以题为“Size-Tunable Assemblies Based on Ferrocene-Containing DNA Polymers for Spatially Uniform Penetration”发表在知名期刊Chem上。

【图文导读】

图一：ApFAs的结构、制备和深层肿瘤穿透示意图

（A）ApFAs的制备过程示意图。
（B）ApFAs的深层肿瘤穿透示意图。

图二：ApFAs的形态和尺寸分布

（A）核酸适配体-Fen两亲性分子的示意图。
（B-E）TEM图像表征核酸适配体-Fen组装体，其中n=3（B），5（C），7（D）和15（E）。
（F-I）DLS尺寸表征核酸适配体-Fen组装体ApFAs，其中n=3（B），5（C），7（D）和15（E）。

图三：Aptamer-Fe₇氧化前后形成的ApFAs结构及理化性质表征

（A）通过类Fenton反应组装的尺寸减小的示意图。
（B-G）在不同条件下的ApFAs的TEM图像（B-D）和相应的尺寸分布（E-G）。（B）和（E）中显示的是在pH 7.4下不用H₂O₂处理的ApFAs。（C）和（F）中显示的是用pH 7.4的H₂O₂处理5分钟的ApFAs。（D和G）用pH 6.0的H₂O₂处理5分钟的ApFAs。

图四：体外表征ApFAs的催化性能和抗癌活性

（A）在加入不同浓度的H₂O₂时ApFAs的时间分辨吸光度。
（B-C）ApFAs的米氏动力学和双倒数法图像。
（D）在pH 6.0下有/无H₂O₂处理的核酸适配体和ApFAs的T2加权MR图像。
（E）不同浓度的H₂O₂处理的ApFAs的T2加权MR伪图。
（F）（E）中不同浓度下相应的定量数据。
（G）在酸性（pH=6.0；红色）和中性（pH=7.4；黑色）条件下，G-ApFAs（负载0.1 nM GOD的ApFAs）对A549细胞的细胞毒性。
（H）在中性（pH=7.4）和酸性（pH=6.0）条件下与PBS，ApFAs和G-ApFAs共孵育4小时后A549细胞的荧光显微镜图像（DCFH-DA染色）。

图五：ApFAs对肿瘤组织的渗透

（A-B）（A）仅在PBS中和（B）在含有H₂O₂的PBS中，FAM-ApFAs孵育2小时后在肿瘤组织中的渗透实验。
（C-D）由白色实线表示的组织上的灰度值的变化。
（E）不含和含有H₂O₂的ApFAs的肿瘤组织穿透模型。
（F-G）分别静脉内注射PBS、ApFAs和G-ApFAs的A549荷瘤小鼠的HIF-α（F）和VEGF（G）染色。

图六：G-ApFAs的体内治疗效果评估

（A和B）静脉注射（A）Cy5标记的G-ApFAs和（B）Cy5标记的G-rDNA-Fe后A549荷瘤小鼠的时间依赖性荧光图像。
（C）通过肿瘤内注射PBS、ApFAs、G-ApFAs和G-rDNA-Fe后A549荷瘤小鼠的体重变化。
（D）通过肿瘤内注射PBS、ApFAs、G-ApFAs和G-rDNA-Fe后A549荷瘤小鼠的肿瘤体积变化。
（E）治疗14天后解剖离体肿瘤的照片。

【总结展望】

在该工作中，通过使用含有两亲性二茂铁的核酸聚合物，开发了尺寸可调的ApFA系统以解决EPR效应和深层肿瘤穿透之间的尺寸冲突。初始ApFAs可通过EPR效应在肿瘤部位累积，当暴露于肿瘤微环境时，ApFAs可以经历类Fenton反应，实现100 nm至10 nm的显著尺寸减小，从而提高组件的肿瘤穿透能力。ApFAs还可以在肿瘤微环境中释放高毒性羟基自由基，基于催化反应实现癌症治疗。总体而言，ApFAs不仅代表具有EPR效应和肿瘤穿透能力的药物递送系统，而且还为癌症治疗的生物药剂学提供了有希望的方向。

文献链接：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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