由于實(shí)體瘤組織的高滲透長(zhǎng)滯留(Enhanced permeability and retention effect,EPR)效應(yīng),納米顆粒/藥物常具有明顯的腫瘤蓄積能力,因此納米顆粒/藥物成為了診斷、治療甚至根除腫瘤的常用手段。開發(fā)具有增強(qiáng)的被動(dòng)腫瘤靶向作用的納米平臺(tái)對(duì)癌癥納米醫(yī)學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要。各種納米平臺(tái)如脂質(zhì)體、樹狀大分子、納米凝膠、膠束等已廣泛應(yīng)用于基于EPR效應(yīng)的癌癥成像和治療。
在眾多納米平臺(tái)體系中,樹狀大分子是一類高度支化的、三維立體結(jié)構(gòu)的單分散大分子,具有從核心以迭代方式向外延伸的樹枝狀楔形物。樹狀大分子獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性為人類健康納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了重要手段。其中,聚酰胺-胺(Poly(amidoamine), PAMAM)樹狀大分子具有與蛋白質(zhì)相似的結(jié)構(gòu),并且由于其具有良好水溶性、非免疫原性和易官能化等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。
一般而言,低代樹狀大分子更容易合成,但具有相對(duì)更高分子量和納米尺寸的高代樹狀大分子(G4或更高)卻顯示出更好的基因轉(zhuǎn)染效率、載藥量以及滲透能力。然而,樹狀大分子代數(shù)越高,合成步驟就越繁瑣,純化也相對(duì)困難,其價(jià)格也相對(duì)比較昂貴,從而限制了其有效的腫瘤治療和成像應(yīng)用。為了克服單代樹狀大分子的局限性,研究者開發(fā)了以高代樹狀大分子為核、低代樹狀大分子為殼的核殼結(jié)構(gòu)樹狀大分子(core-shell tecto dendrimers, CSTDs),不僅保持了與高代樹狀大分子相似的特性,而且合成簡(jiǎn)單,操作方便。
在前期的研究中,史向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)利用環(huán)糊精(CD)與金剛烷(Ad)的超分子主客體識(shí)別作用,以第五代(G5)PAMAM樹狀大分子為核、第三代(G3)PAMAM樹狀大分子為殼構(gòu)建的G5-CD/Ad-G3 CSTDs可用于增強(qiáng)的基因傳遞(J. Mater. Chem. B 2017, 5, 8459),也可作為載體實(shí)現(xiàn)基因和藥物的共遞送達(dá)到癌細(xì)胞的增強(qiáng)的聯(lián)合治療(J. Mater. Chem. B 2020, 8, 2768)。另外,史向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)還基于CD與苯并咪唑(BM)的主客體自組裝作用,將BM修飾的乙酰化G3作為殼組分組裝到CD修飾的乙酰化G5表面,并將形成的G5.NHAc-CD/BM-G3.NHAc CSTDs作為載體負(fù)載抗癌藥物阿霉素(DOX),利用CD/BM的酸敏感特性,將CSTDs/DOX納米平臺(tái)用于增強(qiáng)的體外腫瘤細(xì)胞球的滲透和化療(Nanoscale 2019, 11, 22343)。研究團(tuán)隊(duì)近期還綜述了CSTDs和樹狀大分子超結(jié)構(gòu)的合成方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(Bioconjugate Chem. 2021, 32, 225;Coord. Chem. Rev. 2020, 421, 213463)。然而,不足的是,CSTDs目前僅僅局限于體外細(xì)胞生物學(xué)應(yīng)用。
一直以來,MR成像技術(shù)因無創(chuàng)性、高靈敏度、高空間分辨率以及優(yōu)異的3D成像能力而受到研究者的關(guān)注。基于此,史向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)嘗試構(gòu)建了基于CSTDs的MR造影劑,并與具有相同成分的G5樹狀大分子造影劑相比較,探索其基于EPR效應(yīng)的腫瘤MR成像的優(yōu)越性。在本研究中,團(tuán)隊(duì)首先通過CD和Ad的超分子識(shí)別制備了G5.NH2-CD/Ad-G3.NH2 CSTDs,并共價(jià)修飾DOTA配體用于螯合Gd(III),最后對(duì)CSTDs表面剩余氨基乙酰化,獲得G5.NHAc-CD/Ad-G3.NHAc-DOTA(Gd)(CSTD.NHAc-DOTA(Gd))(圖1a)。同時(shí),為方便后續(xù)比較,研究團(tuán)隊(duì)還合成了單代樹狀大分子釓螯合物G5.NHAc-DOTA(Gd)。研究結(jié)果表明,合成的兩種材料具有均勻的球形形態(tài)、均一的納米尺寸,較好的穩(wěn)定性和細(xì)胞相容性。CSTD.NHAc-DOTA(Gd)粒徑約為9 nm,而G5.NHAc-DOTA(Gd) 約為6.2 nm(圖1)。
圖1. (a)CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的合成示意圖;(b,c)CSTD.NHAc-DOTA(Gd)和(d,e)G5.NHAc-DOTA(Gd)的AFM圖和相應(yīng)高度圖。
隨后,研究團(tuán)隊(duì)以鼠源乳腺癌細(xì)胞(4T1)為模型,構(gòu)建了3D細(xì)胞球用于模擬動(dòng)物體內(nèi)實(shí)體瘤微環(huán)境以探索和比較FITC標(biāo)記的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)或G5.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力。如圖2所示,兩種材料均對(duì)細(xì)胞球有一定的滲透性,但在相同F(xiàn)ITC濃度下,F(xiàn)ITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組在細(xì)胞球內(nèi)部的熒光強(qiáng)度顯著高于G5.NHAc-DOTA(Gd)組,這表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于G5.NHAc-DOTA(Gd)。
研究團(tuán)隊(duì)還比較了兩種材料的弛豫性能和在體外MR成像中的應(yīng)用,結(jié)果表明,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及對(duì)照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)的MR信號(hào)強(qiáng)度均和Gd含量呈正相關(guān),在相同Gd濃度條件下,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)顯示出比對(duì)照材料更強(qiáng)的MR信號(hào)強(qiáng)度,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的r1弛豫率為7.34 mM-1s-1,是對(duì)照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)(4.92 mM-1s-1)的1.5倍,也是臨床Magnevist(4.56 mM-1s-1)的1.6倍。此外,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)與對(duì)照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)相比,能夠大大提升體外癌細(xì)胞的MR成像效果。
圖2. 用FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)或FITC-G5.NHAc-DOTA(Gd)孵育4T1 3D細(xì)胞球6小時(shí)(a, b, c)和12小時(shí)(d, e, f)后的細(xì)胞球熒光成像圖和熒光強(qiáng)度分布統(tǒng)計(jì)圖。其中,比例尺為50 μm,a、d代表FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組,b、e代表FITC-G5.NHAc-DOTA(Gd)組。
圖3. 靜脈注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)(a)或G5.NHAc-DOTA(Gd)(b)前后不同時(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)MR成像圖和SNR統(tǒng)計(jì)圖(c)。白色箭頭指向腫瘤部位;注射的材料均溶解在PBS中,[Gd] = 5 mM,用量100 μL/每只。
進(jìn)一步地,研究團(tuán)隊(duì)建立了4T1皮下瘤模型并通過靜脈注射(圖3)和瘤周注射(圖4)兩種方式對(duì)注射材料前后的荷瘤小鼠進(jìn)行了MR成像。靜脈注射后,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及G5.NHAc-DOTA(Gd)組的小鼠腫瘤部位MR信號(hào)強(qiáng)度都出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組的MR信號(hào)強(qiáng)度2.5小時(shí)達(dá)到了最高值,而G5.NHAc-DOTA(Gd)組在1小時(shí)就達(dá)到了最高值,說明擁有更高分子量的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)具有較長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間,從而放大了EPR效應(yīng),并延長(zhǎng)了材料在腫瘤部位的積聚。與注射前的SNR值相比,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)在腫瘤部位的MR SNR值在注射2.5小時(shí)后增加了72.4%,遠(yuǎn)高于對(duì)照組G5.NHAc-DOTA(Gd)的SNR增加情況(增加了57.2%)。瘤周注射兩種納米材料后,腫瘤的MR SNR均在注射后3 h達(dá)到峰值,然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低,CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組腫瘤部位的MR信號(hào)強(qiáng)度和SNR值在同一時(shí)間點(diǎn)都高于對(duì)照組G5.NHAc-DOTA(Gd),這也是歸因于CSTD.NHAc-DOTA(Gd)比G5.NHAc-DOTA(Gd)具有更好的滲透性和更高的r1弛豫率。總之, CSTD.NHAc-DOTA(Gd)表現(xiàn)出放大的腫瘤EPR效應(yīng),達(dá)到增強(qiáng)腫瘤MR成像的效果。此外,組織分布以及器官切片H&E染色實(shí)驗(yàn)還表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)對(duì)小鼠沒有明顯的體內(nèi)毒性。
圖4. 瘤周注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)(a)或G5.NHAc-DOTA(Gd)(b)前后不同時(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)MR成像圖和SNR統(tǒng)計(jì)圖(c)。白色箭頭指向腫瘤部位;注射的材料均溶解在PBS中,[Gd] = 5 mM,用量100 μL/每只。
以上研究以“Core-Shell Tecto Dendrimers Enable Enhanced Tumor MR Imaging through an Amplified EPR Effect”為題,發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)top期刊Biomacromolecules (DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00262)上。東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院博士研究生宋聰為第一作者,東華大學(xué)史向陽(yáng)教授、沈明武教授為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委和中央高校研究生創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00262
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