耐药肿瘤不可怕!双响应Pt(IV)/Ru(II)双金属聚合物杀死耐顺铂肿瘤

顺铂是中心以二价铂同两个氯原子和两个氨分子结合的重金属络合物,类似于双功能烷化剂,可抑制DNA的复制过程。目前,顺铂和其他各种Pt(II)抗癌药物被临床上广泛用于治疗食道癌、恶性淋巴瘤等患者。但是,在长期使用后,会出现严重的耐药性。主要存在以下几种降低治疗效果的途径:

  • 1)血液中血清白蛋白等蛋白质会使顺铂失活;
  • 2)顺铂分子不能被耐顺铂的癌细胞有效地吸收;
  • 3)细胞内金属硫蛋白(MT)和谷胱甘肽(GSH)等生物分子可以强烈结合和隔离顺铂;
  • 4)被顺铂破坏的癌细胞DNA可以被蛋白质修复。

针对上述失效途径,研究人员开发了以下策略:

  • (1)开发在癌细胞中释放顺铂的Pt(IV)前药,可以最大程度减少DNA结合前与生物分子发生的不良副反应;
  • (2)将顺铂与其他抗癌药物(5-氟尿嘧啶等)联合使用,利用不同药物的不同抗癌机制来增强治疗效果;
  • (3)使用纳米载体靶向递送顺铂,可以延长血液循环时间、更多在肿瘤组织处累积和按需释药。虽然上述策略有效阻止了顺铂的某些失活途径,但是难以同时克服多个失活途径。

近日,国家纳米科学中心的梁兴杰研究员中国科学技术大学的吴思教授(共同通讯作者)合作报道了一种具有双响应性Pt(IV)/Ru(II)的双功能聚合物(PolyPt/Ru),克服了顺铂的多个失活途径。并且在患者源异种移植(PDX)小鼠模型中,作者测试了PolyPt/Ru治疗耐顺铂肿瘤的效果(图1)。PolyPt/Ru是一种具有疏水性Pt(IV)/Ru(II)双金属嵌段和两个亲水性聚乙二醇(PEG)嵌段的ABA型三嵌段聚合物。其中,疏水性嵌段中的Pt(IV)部分是在细胞内还原环境中产生顺铂的前药。将Ru(II)配合物掺入疏水嵌段中,因为Ru(II)配合物在光照射下可以产生单线态氧(1O2),并发生配体取代。但是,Ru(II)配合物通常对无光照的组织无毒,而在光活化后会对癌细胞产生毒性,进而提高对癌症治疗的选择性。因此,PolyPt/Ru中的Ru(II)部分可产生1O2用于光动力疗法(PDT),并释放抗癌Ru(II)配合物以用于光激活化学疗法(PACT)。

此外,作者使用了亲水性和生物相容性的PEG嵌段,以延长血液循环时间并抑制使金属药物失活的蛋白质的非特异性吸附。将PolyPt/Ru自组装形成纳米颗粒,在肿瘤部位聚集,被耐顺铂细胞吸收,并在胞内还原性微环境中释放顺铂。在红光照射下,PolyPt/Ru产生1O2,并引起Ru(II)部分降解,以释放抗癌Ru(II)配合物,因而释放的顺铂和Ru(II)配合物以及产生的1O2协同杀死耐顺铂的肿瘤。因此,PolyPt/Ru不仅克服多个失活途径,而且其光活化仅发生在受辐照的肿瘤组织上,进一步提高了癌症治疗的选择性。研究成果以题为“Fighting against Drug-Resistant Tumors using a Dual-Responsive Pt(IV)/Ru(II) Bimetallic Polymer”发表在Adv. Mater.上。

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图1、PolyPt/Ru的合成和作用示意图

PolyPt/Ru的表征

作者制备了水溶性PolyPt/Ru纳米颗粒。透射电子显微镜(TEM)和动态光散射(DLS)表明,PolyPt/Ru的平均直径为90 nm,平均流体动力学直径为111 nm。在红光照射后,出现了直径为56和269 nm的光产物,表明PolyPt/Ru降解为较小尺寸的片段和一些较大尺寸的光产物疏水聚集体。在GSH处理后,出现类似的DLS信号。但在光和GSH的组合处理后,较小的碎片消失,并形成较大的聚集体。此外,作者利用195Pt NMR波谱分析了[Pt(NH3)2Cl2(AAE)2](TFA)2的还原反应机制。[Pt(NH3)2Cl2(AAE)2](TFA)2的化学位移位于1067.1 ppm,顺铂和还原产物的化学位移均为1194.7 ppm,说明还原产物为顺铂。195Pt NMR结果显示,通过GSH处理[Pt(NH3)2Cl2(AAE)2](TFA)2后也产生顺铂。

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图2、PolyPt/Ru的理化表征

体外实验

接着,作者研究了耐顺铂癌细胞对PolyPt/Ru纳米颗粒的摄取。在黑暗中,将耐药A549-DDP和7404-CP20细胞与PolyPt/Ru纳米颗粒孵育6 h。在孵育6 h后,A549-DDP和7404-CP20细胞的摄取率分别为76.4%和54.4%,说明PolyPt/Ru被细胞有效吸收。在黑暗中,细胞存活率随PolyPt/Ru浓度的增加而降低。当Ru(II)和Pt(IV)浓度分别为128和40 g/mL时,A549-DDP和7404-CP20细胞的存活率分别降到31%和42%。此外,光照射进一步降低了癌细胞的存活率。利用绿色荧光探针检测A549-DDP和7404-CP20细胞,在PolyPt/Ru和探针没有被红光照射时,未观察到绿色荧光。但是,当PolyPt/Ru和探针被红光照射时,观察到绿色荧光。

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图3、PolyPt/Ru的细胞实验

体内实验

作者从尾静脉向带有PDX肿瘤小鼠注射了PolyPt/Ru纳米颗粒。在小鼠模型中,在4 h仅有微弱的信号,在12 h时肿瘤部位的荧光达到最大值,表明PolyPt/Ru有效地聚集在肿瘤部位。但是,注射盐水的对照小鼠没有荧光。在PolyPt/Ru静脉注射到小鼠模型中12 h后,作者用671 nm激光照射肿瘤20 min(PolyPt/Ru+光照组)。同时存在给PDX荷瘤小鼠注射生理盐水(对照组)、用光照射PDX荷瘤小鼠(光照组)、给PDX肿瘤小鼠注射等剂量的顺铂(顺铂组)和给PDX肿瘤小鼠注射PolyPt/Ru(PolyPt/Ru组)四组实验。只有PolyPt/Ru+光照组的肿瘤生长受到明显抑制,表明该治疗的协同作用改善了抗癌性能。在离体肿瘤称量时,PolyPt/Ru+光照组的平均肿瘤重量明显轻于其它四组。

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图3、PolyPt/Ru的小鼠体内实验

总之,作者合成的双响应性双金属聚合物(PolyPt/Ru),同时克服了顺铂的多个失活途径。PolyPt/Ru在耐顺铂肿瘤中表现出优异的抑制能力。该研究表明,设计具有多响应性的多金属聚合物是治疗耐药性肿瘤的一种新策略。此外,文中的设计原理为设计其它的多金属聚合物提供了基础。

文章链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202004766

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