科學(xué)家設計主動(dòng)滲透納米載體，完美平衡藥物釋放和轉胞運作用，助力研發(fā)抗腫瘤納米新藥

近日，浙江大學(xué)相佳佳研究員和團隊研制出一種三級胺氧化物修飾的聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物（OPGA-PTX）。

通過(guò)調控該鍵合物載體的化學(xué)結構，可以?xún)?yōu)化其細胞內分布，從而起到平衡細胞內藥物釋放和轉細胞的作用。

圖 | 相佳佳（來(lái)源：相佳佳）

細胞內藥物釋放和轉胞運的平衡問(wèn)題，是此前轉胞運納米藥物設計方面一個(gè)久被忽視、但又十分重要的問(wèn)題。

這項工作中，他們提出一種新型的納米藥物設計策略，即在設計載體化學(xué)結構以行使各項功能時(shí)，考慮利用生物體或細胞本身的機制和通路，賦予載體智能化的特性。

也就是利用載體在不同細胞器中的分布，解決藥物釋放和轉胞運的問(wèn)題。通過(guò)此，可以為設計兼具高效轉胞運作用和抗腫瘤作用的納米藥物提供新思路。

這既能解決當前納米藥物的腫瘤滲透瓶頸，讓納米藥物能被遞送至腫瘤細胞甚至遠端細胞，同時(shí)藥物也能在腫瘤細胞內得到有效釋放，從而殺死腫瘤細胞。

據相佳佳介紹，這項成果是在聚谷氨酸-紫杉醇的基礎上改進(jìn)而來(lái)。其化學(xué)結構比較簡(jiǎn)單，而且聚氨基酸的生物相容性比較好，具有不錯的轉化前景。

未來(lái)，該團隊將進(jìn)一步拓展本次體系，在動(dòng)物模型上進(jìn)行試驗和推進(jìn)轉化進(jìn)程。

此外，他們也在積極拓展本次體系在其他疾病模型上的應用。比如，通過(guò)滴眼給藥治療眼部疾病，以及通過(guò)口服治療腸道疾病等。

（來(lái)源：Advanced Materials）

胞內截留和細胞間轉運的平衡難題

據介紹，納米藥物能夠有效降低藥物的副作用，提高一些難溶藥物或易降解藥物的生物利用度。

當把納米藥物經(jīng)靜脈注射之后，通常需要經(jīng)歷五個(gè)復雜的級聯(lián)步驟（CAPIR）：

• 在全身血液中的循環(huán)（Circulation）；

• 逐漸蓄積到腫瘤組織（Accumulation）；

• 滲透到無(wú)血管的腫瘤組織和遠端腫瘤細胞（Penetration）；

• 隨后被細胞內化（Internalization）；

• 最后釋放藥物殺死腫瘤細胞（Release）。

納米藥物的整體遞送效率，主要取決于這五個(gè)步驟。但是，實(shí)體瘤本身情況十分復雜：其腫瘤微環(huán)境中的細胞外基質(zhì)十分致密、血管分布混亂，腫瘤細胞密集堆積、間質(zhì)流體壓力高。

這些因素導致腫瘤滲透成為納米藥物難以克服的瓶頸，也是當前納米藥物臨床療效低的主要原因之一。

該課題組在 2019 年首次提出，利用細胞內在的轉胞運作用來(lái)跨細胞遞送納米藥物，以繞開(kāi)腫瘤組織致密的細胞外基質(zhì)，并證明這是一種能克服實(shí)體瘤滲透屏障和實(shí)現腫瘤深層滲透的有效手段。

前期研究發(fā)現，腫瘤特異性酶響應的電荷反轉聚合物以及三級胺氧化物聚合物載體，能夠有效促進(jìn)納米藥物的腫瘤滲透效果。

但是，目前關(guān)于載體誘導細胞轉胞運作用的研究，主要集中在提升轉運性能，以讓其在被細胞攝取之后，盡可能地被運至高爾基體或內質(zhì)網(wǎng)等具有外泌功能的細胞器。

然而，腫瘤細胞需要截留部分納米藥物、或截留部分釋放的藥物，以便在完成轉胞運之后，誘導腫瘤細胞死亡。

因此，如何實(shí)現藥物胞內截留和細胞間轉運之間的平衡，從而獲得藥物釋放和腫瘤滲透之間的協(xié)調，進(jìn)而使腫瘤治療效果達到最佳，仍然是一項挑戰。

基于此，該團隊設計了這種新型的聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物（OPGA-PTX），其具有不同的親疏水比和三級胺氧化物含量，并以組織蛋白酶 B 響應的多肽序列作為藥物連接子。

（來(lái)源：Advanced Materials）

能在幾乎不影響小鼠體重情況下顯著(zhù)抑制腫瘤生長(cháng)

事實(shí)上，本項研究的初版思路和終版思路存在很大差別。

此前，聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物已經(jīng)進(jìn)入過(guò)臨床研究，但是最終仍以失敗告終。該團隊分析其中一個(gè)原因是藥物在腫瘤的富集和滲透不佳所導致的。

因此，他們想把課題組之前開(kāi)發(fā)的一種三級胺氧化物，修飾到聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物上，以增強它的腫瘤滲透性能。

然而，他們發(fā)現所設計的藥物鍵合物，被細胞內吞之后不僅會(huì )分布在高爾基體中，在溶酶體中也有大量分布，這與設計初衷是相悖的。

而在該團隊的前期工作中，所設計的具有轉胞運作用的聚合物，往往在高爾基體中有著(zhù)較高的分布，而在溶酶體中則呈現出非常少的分布。

因此，他們意識到上述現象很可能是由于鍵合物的結構導致的。也就是說(shuō)，載體親疏水性以及三級胺氧化物的修飾比例，有可能是主要的影響因素。

于是，他們開(kāi)始轉換思路：能否通過(guò)優(yōu)化聚合物的結構，來(lái)調控納米藥物在高爾基體和溶酶體中的分布？

之所以這樣設想，是基于：高爾基體與轉胞運作用密切相關(guān)，而溶酶體則是發(fā)揮胞內降解作用的重要細胞器。

當納米藥物并被細胞內吞之后，部分能轉運至高爾基體，從而發(fā)揮轉胞運作用；同時(shí)部分納米藥物可以被溶酶體截留，響應組織蛋白酶 B 進(jìn)而釋放活性藥物，最終殺死頑固的腫瘤細胞。

基于此，該團隊通過(guò)調節鍵合物的親疏水比例和三級胺氮氧基團含量，來(lái)優(yōu)化其在細胞內的分布。

細胞實(shí)驗結果表明：親疏水比例和三級胺氮氧基團含量，對鍵合物的內吞、亞細胞分布和轉胞運作用產(chǎn)生決定性影響。

他們由此篩選出最符合預期的紫杉醇鍵合物：它可以被細胞快速內吞，在溶酶體和高爾基體中具有較為平衡的分布，并能發(fā)揮快速轉胞運和腫瘤滲透能力。

對于篩選出來(lái)的紫杉醇鍵合物，課題組在動(dòng)物水平上考察其是否具有良好的血液循環(huán)能力、腫瘤血管外滲和腫瘤滲透能力。

結果發(fā)現在動(dòng)物實(shí)驗中，所篩選的紫杉醇鍵合物的確展現出優(yōu)異的能力，這為進(jìn)一步開(kāi)展體內抗腫瘤實(shí)驗打下了基礎。

而在體內抑瘤活性實(shí)驗中，相比對照組，目標紫杉醇鍵合物也展現出更好的抗腫瘤效果，能在幾乎不影響小鼠體重的情況下顯著(zhù)抑制腫瘤生長(cháng)。

這表明本次設計的紫杉醇鍵合物，具有良好的生物安全性和抑瘤活性。

此外，相佳佳表示：“本項研究的絕大部分工作由課題組的一名碩士生和一名博士生合作完成，分別負責生物學(xué)表征和聚合物載體合成?！?/span>

讓他印象最深刻的是這位碩士生，這名女生幾乎從零開(kāi)始入門(mén)，獨立完成了所有細胞實(shí)驗和動(dòng)物實(shí)驗的驗證工作。

剛加入實(shí)驗室的時(shí)候，她幾乎不懂細胞也非常害怕小鼠，高分子載體設計的知識也比較薄弱。

“期間，她經(jīng)歷了許多次的實(shí)驗失敗再重來(lái)，也經(jīng)歷了多次自我信心的不斷重建?！毕嗉鸭颜f(shuō)。

當發(fā)現本次聚合物和課題組此前設計的轉胞運觸發(fā)型載體，在溶酶體和高爾基體中存在巨大分布差異時(shí)，這名女生非常崩潰，一度考慮是否放棄課題，畢竟當時(shí)還面臨著(zhù)畢業(yè)的壓力。

“好在她堅持下來(lái)了，那段時(shí)間我們不斷地討論和嘗試，逐漸提出最終的研究思路，即通過(guò)優(yōu)化聚合物的化學(xué)結構，來(lái)調節聚合物在高爾基體和溶酶體中的分布，以便平衡納米藥物轉胞運和胞內釋放?！毕嗉鸭颜f(shuō)。

如今，這名女生的細胞實(shí)驗技能和動(dòng)物實(shí)驗技能也愈加嫻熟，克服了對小鼠的恐懼，科研水平也得到質(zhì)的提升，目前正在香港科技大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

另外，相關(guān)論文也于近期以《調節細胞內動(dòng)力學(xué)以?xún)?yōu)化細胞內釋放和轉胞吞平衡》（Modulating Intracellular Dynamics for Optimized Intracellular Release and Transcytosis Equilibrium）為題發(fā)在 Advanced Materials[1]。

袁桂萍和李明輝是第一作者，相佳佳和浙江大學(xué)申有青教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）

不過(guò)，研究中他們也發(fā)現該鍵合物依舊存在一些不足，因此后續要繼續優(yōu)化結構，在大動(dòng)物模型上進(jìn)行驗證。同時(shí)，還得考慮相關(guān)藥物的放大生產(chǎn)，盡可能地推進(jìn)臨床轉化。

另外，相佳佳表示：“AI for Material Design 一定是未來(lái)的趨勢，我們課題組當然也不會(huì )錯過(guò)這樣一個(gè)機遇，要抓緊上船，目前也正在開(kāi)展這方面的工作?！?/span>

參考資料：

1.Yuan, G., Li, M., Zhang, Y., Dong, Q., Shao, S., Zhou, Z., ... & Shen, Y. (2024). Modulating Intracellular Dynamics for Optimized Intracellular Release and Transcytosis Equilibrium. Advanced Materials, 2400425.