陈学思院士团队《AM》: 构建多级合作的纳米平台用于蛋白质/化疗药物的胞内共递送

可胞内活化的蛋白质与化疗药剂的联合使用被认为是一种极具前景的协同抗癌策略。然而,目前依旧缺乏理想的纳米载体用以将两种物化性质截然不同的药物递送到肿瘤细胞内并进行可控的胞内释放,严重阻碍了这类联合治疗策略的进一步生物医学转化。

针对这一问题,中科院长春应化所的陈学思院士和肖春生副研究员等人精心设计了mPEG-b-PGCA-b-PGTA三嵌段共聚物,并以此构建多级合作的药物递送纳米平台。基于此平台,研究实现了亲水性核糖核酸酶A(RNase A)和疏水性化疗药物DOX的高效胞内共递送,在体外和体内实验中都取得了良好的协同抗癌效果。相关工作以“A Multistage Cooperative Nanoplatform Enables Intracellular Co-Deliveryof Proteins and Chemotherapeutics for Cancer Therapy”为题发表在Advanced Materials

陈学思院士团队《AM》: 构建多级合作的纳米平台用于蛋白质/化疗药物的胞内共递送

药物递送纳米平台的构建

在这一工作中,基于三嵌段共聚物的可多级合作的药物递送平台具有多刺激响应释药的特点。这其中,mPEG链段为共聚物提供了亲水结构,并且能够帮助纳米平台躲避系统的免疫识别;中间的PGCA链段含有邻苯二酚单元,可以与苯硼酸改性蛋白质进行pH值可逆的共价结合,形成动态锁定胶束;而末端的PGTA链段则含有可质子化的叔胺侧链,可实现pH值响应的疏水药物释放,并引发“质子海绵”效应从而介导蛋白质的内吞体/溶酶体逃逸(endolysosomal escape)(图1)。之后,研究利用RNase A和DOX作为模型药物检验该纳米平台是否可以实现高效的胞内递送(图1)。

陈学思院士团队《AM》: 构建多级合作的纳米平台用于蛋白质/化疗药物的胞内共递送

图1可多级合作纳米平台胞内共递送RNase A和DOX示意图

DOX的胞内递送

DOX是一种疏水性的小分子药物,可以通过与细胞核DNA进行作用来诱导细胞凋亡。DOX是在三嵌段共聚物自组装的过程中,通过与PGTA链段的疏水相互作用被装载进胶束内核的。如图2所示,细胞层面的研究显示纳米平台能够有效地将DOX递送到肿瘤细胞内;之后在酸性内吞体/溶酶体的作用下,DOX可以从纳米平台中释放出来并逃逸到细胞液中,从而富集于细胞核。此外,DOX从内吞体/溶酶体的快速逃逸也说明DOX能够从内吞体/溶酶体中相对自由扩散出去。

陈学思院士团队《AM》: 构建多级合作的纳米平台用于蛋白质/化疗药物的胞内共递送

图2 DOX的胞内递送

RNase A的胞内递送

RNaseA是一种在生理环境中带正电荷的细胞毒性蛋白质,能够降解胞内的RNA并引发肿瘤细胞的死亡。RNase A首先利用苯硼酸衍生物(NBC)进行改性形成可响应ROS断键的改性蛋白质(RNBC)。这一蛋白质之后共价链接到PGCA链段,从而通过pH可逆的动态苯硼酸-邻苯二酚相互作用实现纳米颗粒的交联。而当纳米颗粒被内吞进入细胞后,酸性的内吞体/溶酶体中使苯硼酸-邻苯二酚连接断裂,从而释放RNBC。同时,释放的DOX引发细胞凋亡并显著提高胞内的ROS水平,促使ROS响应的NBC进行脱保护(deprotection)作用,使RNBC恢复成RNase A,实现治疗作用。如图3所示,细胞层面的实验可追踪Cy5荧光标记的RNBC的胞内递送行为。结果表明,RNBC通过苯硼酸-邻苯二酚相互作用与纳米平台进行共价连接可以有效增强RNBC的胞内输运。此外,RNBC的内吞体/溶酶体逃逸相对于DOX而言更慢,表明RNBC通过“质子海绵”效应来诱导逃逸过程需要花费更多的时间。

陈学思院士团队《AM》: 构建多级合作的纳米平台用于蛋白质/化疗药物的胞内共递送

图3 RNBC-Cy5的胞内递送

在之后的活体实验中,研究也发现RNBC和DOX共装载的纳米平台对肿瘤生长的抑制具有显著的协同作用;利用此纳米平台进行治疗的小鼠也具有最长的存活时间。同时,小鼠的体重监测数据显示了实验期间纳米平台治疗组小鼠的体重没有明显的下降,表明该纳米平台具有较高的生物安全性。

结论

这一研究发展了一种新型的多级合作的纳米平台,可同时递送DOX和RNase A用于癌症协同治疗。在被细胞内化后,这一基于mPEG-b-PGCA-b-PGTA三嵌段共聚物的纳米平台能够响应酸性的内吞体/溶酶体环境而释放DOX和RNBC。其中DOX能够引发细胞凋亡和提升胞内ROS水平;而在叔胺介导的“质子海绵”效应的诱导下,RNBC能够进行内吞体/溶酶体逃逸,从而进入细胞质,并响应ROS转变成RNase A。细胞和活体层面的实验均表明,合作释放的DOX和RNase A能够实现协同抗癌效力。因此,该研究认为基于上述共递送纳米平台可以进一步发展普适可靠的药物递送策略,用以增强疾病治疗效果。

参考文献:

A Multistage Cooperative NanoplatformEnables Intracellular Co-Delivery of Proteins and Chemotherapeutics for CancerTherapy

文献链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000013

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