Advanced Science | 南京大学王忠长/朱海亮等合作设计了一种新型纳米平台，实现恶性肿瘤的光动力/化疗协同治疗
时间：2022-12-27 11:59:51 热度：37.1℃ 作者：网络
缺氧条件下的光动力疗法（PDT）和化疗耐药性是抗肿瘤治疗的关键难题，同时也迫切需要靶向中枢神经系统肿瘤的纳米平台。
2022年12月22日，南京大学王忠长，朱海亮、南京医科大学邹美娟及郑州大学段勇涛共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Multifunctional Protein Hybrid Nanoplatform for Synergetic Photodynamic-Chemotherapy of Malignant Carcinoma by Homologous Targeting Combined with Oxygen Transport”的研究论文，该研究设计了一种新型多功能蛋白质杂交纳米平台（ODP-TH），由作为多类实体瘤识别因子的转铁蛋白（TFR）和供氧的血红蛋白组成。基于谷胱甘肽响应的二硫键交联，该蛋白质杂交框架封装了光敏剂原卟啉IX（PpIX）和化疗药阿霉素（Dox）。
从机制上讲，ODP-TH穿过血脑屏障（BBB），通过蛋白质同源性识别在缺氧肿瘤中特异性聚集。氧气和包封药物通过下调多重耐药基因1（MDR1）和缺氧诱导因子-1-α（HIF-1α）的丰度来促进治疗效果。结果表明，ODP-TH在肿瘤缺氧区域实现了氧转运和蛋白质同源性识别。与传统的光动力化疗相比，ODP-TH实现了更有效的肿瘤抑制作用。该研究不仅克服了靶向氧转运联合治疗中的缺氧相关抑制，而且实现了对乳腺癌、胶质瘤等多种肿瘤的有效治疗，为构建多功能靶向强化抗肿瘤纳米平台提供了新思路。
肿瘤微环境（TME）具有许多不同于正常生理条件的物理和化学特性，如低氧、低pH、高间质液和高血管通透性。上述特征中，缺氧环境与肿瘤生长、转移和不良预后密切相关。肿瘤内部血管增殖和异常发育不受控决定了其高代谢特征，高代谢耗尽了内部的氧气，进而使这些细胞产生耐氧效果，进一步增强肿瘤的恶性程度。光动力疗法（PDT）通过激光照射病变内部光敏剂产生细胞毒性单线态氧杀死肿瘤细胞，因其低毒性、无创和免疫激活的优点而被广泛研究。然而，缺氧TME限制了PDT期间细胞毒性单线态氧的产生。此外，PDT进一步耗尽了环境中存在的少量氧气，从而导致治疗的恶性循环。传统的化疗药物（如Dox）经常因其低靶向和高毒性而受到质疑，大剂量给药会造成不可逆转的损害，也有研究报道缺氧TME中的多重耐药基因1（MDR1）诱导P-葡萄糖蛋白的表达，导致肿瘤细胞对化疗药物不敏感。
鉴于缺氧环境阻碍了传统治疗的有效性，人们越来越关注改善肿瘤缺氧微环境的方法，如过氧化氢纳米载体、肿瘤中的类芬顿反应、二氧化锰纳米系统和高压氧治疗，通过外部或内部携氧来解决缺氧问题。血红蛋白（Hb）是一种包裹在红细胞中的蛋白质，广泛存在于脊椎动物中。一个Hb分子最多可携带四个氧分子，并在缺氧区域释放，可用于解决组织供氧问题。基于其氧运输能力和生物安全性，Hb在新型生物医学纳米平台开发中应用前景广阔。虽然Hb具有良好的氧气运输能力，但体内缺氧组织较多，如何将纳米颗粒精确转运到缺氧TME中成为新兴课题。
图1 ODP-TH合成和细胞内作用机制（摘自Advanced Science ）
血脑屏障（BBB）是一种生理屏障，主要由胶质细胞和毛细血管组成，能够将脑组织与其他组织分隔开。很少有脂溶性药物可以通过自由扩散穿过BBB，因此手术是当前治疗颅内肿瘤（如神经胶质瘤）的主要方法。但大多数手术治疗都是基于功能保护的原则，无法实现肿瘤全切除。因此，术后辅助脑给药对于肿瘤治疗至关重要。目前，越来越多的纳米平台被用于脑靶向给药，其中以受体介导转运（RMT）为跨BBB机制的纳米平台具有较好的应用前景。
药物递送纳米平台开发中RMT的应用受到研究学者的广泛关注。TRF是一种铁载体蛋白，广泛存在于人类血液中。TRF可以识别并结合细胞膜表面的转铁蛋白受体（TFRs），通过血液循环完成细胞内的铁转运。与正常细胞膜相比，肿瘤和脑毛细血管内皮细胞膜含有显著更高量的TFRs，这为与TRF识别和结合提供了更大可能性。利用这一特点，基于TRF和TFRs同源识别的跨BBB靶向肿瘤药物递送纳米平台前景广阔。
受上述研究基础的启发且考虑到联合治疗的必要性，该研究创新性地开发了蛋白质杂交壳包裹的PDT联合化疗集成诊断和治疗纳米平台。TRF和血红蛋白设计用于特异性缺氧靶向和O2释放，并通过二硫键连接形成蛋白质杂交体。具体来说，通过将光敏剂PpIX和化疗药物Dox封装在杂化蛋白壳（ODP-TH）中形成多功能纳米平台（图1）。结果表明，由于其优异的同源蛋白识别能力，ODP-TH能够成功穿过BBB并被不同类型的癌细胞准确快速地吸收。此后，存在于纳米壳中的HbO2在低氧TME中自发并持续地解离O2，缓解了肿瘤中的顽固性低氧。
该设计策略不仅保证了PDT的氧供应，也抑制了MDR1和HIF-1α的表达。谷胱甘肽在TME中的过量表达破坏了ODP-TH中的二硫键，分解纳米颗粒结构并释放封装的药物。通过形态学、蛋白质组成分析和光谱学对ODP-TH蛋白质杂交纳米颗粒进行表征，以证实ODP-TH在体内和体外的抗肿瘤效果。进一步分析表明，体外递送氧气改善了TME的缺氧现象，为PDT和化疗奠定基础。此外，TRF标志物的同源靶向增强了PDT和化疗效果。值得注意的是，基于ODP-TH的药物在肿瘤中的长期滞留效应为低剂量高效治疗提供了可行途径。总之，该研究开发了一种针对低氧TME的新型多功能协同抗癌疗法。
参考消息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202203742
