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東華大學史向陽教授團隊 AS:氧化還原響應型樹狀大分子納米凝膠通過內質網應激放大和巨噬細胞極化實現超聲增強的胰腺癌化學免疫治療
2023-06-25  來源:高分子科技

  化療是許多實體惡性腫瘤的主要治療方法,因其缺乏靶向性,會形成更適合惡性腫瘤轉移的免疫抑制性腫瘤微環境(TME)。該微環境中的腫瘤浸潤細胞毒性T淋巴細胞(CTLs)水平較低而免疫抑制細胞如調節性T細胞(Tregs)和M2型腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)的水平較高,從而限制了化療療效。因此,選擇合適的化療藥物靶點和調節免疫微環境的雙重策略,將有效誘導機體的正向免疫應答反應,從而達到理想的治療效果。


  在眾多化療方式中,以內質網(ER)為靶點的治療很有前景。眾所周知,內質網是蛋白質折疊和運輸的主要場所,參與多種細胞功能。腫瘤細胞的過度增殖導致錯誤折疊和未折疊蛋白的增加,從而引發內質網應激(ERS)。為了解決這個問題,腫瘤細胞啟動一種生存機制恢復細胞穩態,稱為未折疊蛋白反應(UPR)。IRE1α-XBP1UPR中最保守的進化分支調節相關基因的表達,恢復腫瘤細胞的穩態和生存。豐加霉素(Toy)是一種嘌呤核苷類似物,通過阻斷IRE1α-XBP1信號通路,使腫瘤細胞產生持續性的內質網應激,從而引起腫瘤細胞凋亡和免疫原性死亡(ICD。值得注意的是,持續性的化療會使腫瘤細胞表面免疫檢查點配體的表達上升,從而產生免疫逃逸。免疫檢查點阻斷(ICB)療法通過使用程序性細胞死亡配體1PD-L1)等抗體,可以重新激活T細胞,增強抗腫瘤免疫治療。


  為了實現腫瘤的高效治療,需要開發集診斷和治療于一體的納米平臺。金納米粒子(Au NPs)具有較高的原子序數、X射線吸收系數和良好的生物相容性等優點,在計算機斷層掃描(CT)成像中具有巨大潛力。同時已有研究表明,含Au NPs的樹狀大分子納米材料可誘導巨噬細胞復極化為M1型,CT成像引導下實現增強的腫瘤免疫治療。


  在眾多的納米平臺中,納米凝膠(NGs)集合了納米材料和凝膠的雙重特性,具有三維網狀結構、高水合性、高收縮擴張特性等優點,因此受到研究者的關注。TME響應性(如氧化還原)納米凝膠一方面通過增強的通透和滯留效應EPR),高效聚集在腫瘤部位,降低毒性反應;另一方面實現了化療藥物在腫瘤部位的精準釋放減少不良反應。目前在眾多的聚合物納米材料中,第3代聚酰胺-胺(PAMAM)樹狀大分子(G3.NH2)具有高度的分支結構和豐富的表面官能團,因此可以作為合成納米凝膠的一種前體材料。


  腫瘤組織豐富的細胞外基質,降低了腫瘤微環境中的血流灌注,最終阻礙藥物遞送到腫瘤細胞。超聲靶向微泡破壞(UTMD技術利用微泡產生的瞬間空化效應增加血流灌注,使納米材料在腫瘤部位有效富集。因此,診療一體化納米平臺在UTMD技術的聯合作用下,可以進一步增強癌癥的精準監測和高效治療。


  為實現增強的胰腺癌化學免疫治療,東華大學史向陽教授團隊通過反相微乳液法合成了氧化還原響應型的第3樹狀大分子納米凝膠(G3 NGs)隨后負載Au NPs和化療藥物Toy(Au/Toy@G3 NGs)超聲增強的組織穿透力和CT像指導下,通過靶向腫瘤細胞和免疫細胞的化學/免疫聯合治療策略,實現了腫瘤的高效診療1 


1. Au/Toy@G3 NGs的合成及應用示意圖。


  研究團隊首先通過TEMUV-vis粒徑和電勢變化NGs形態、結構和尺寸進行表征,證明Au/Toy@G3 NGs成功合成(圖2a-f)。Au/Toy@G3 NGs在水、PBS以及DMEM中具有良好的膠體穩定性和藥物存留穩定性(圖2g-h,同時具有對pHGSH敏感的藥物快速釋放特性(圖2i 


2.aAu@G3 NGs比例尺為50 nm)和(b-cAu/Toy@G3 NGs比例尺分別代表200 nm50 nmTEM;(dG3 NGsAu@G3 NGs的紫外-可見吸收光譜圖;(eG3 NGsAu@G3 NGsAu/Toy@G3 NGs水合動力學直徑;(fZeta電位;(gAu/Toy@G3 NGs分散于水、PBSDMEM中的水合動力學直徑變化曲線;(hAu/Toy@G3 NGs中的Toy分別在水、PBSDMEM的穩定性;(iAu/Toy@G3 NGs的藥物釋放曲線。


  研究團隊通過細胞毒性實驗、細胞吞噬實驗和細胞凋亡實驗驗證了Au/Toy@G3 NGsUTMD的聯合作用下,使得癌細胞對NGs的吞噬量增加,從而產生更強的細胞毒性和凋亡作用(圖3a-d)。進一步實驗結果證明Au/Toy@G3 NGs通過Toy阻斷IRE1α-XBP1信號通路,引起的持續性內質網應激放大,介導癌細胞凋亡(圖3e-j)。 


3.a)不同材料處理后Pan02細胞的活力;(bPan02細胞在不同濃度Au/Toy@G3 NGsAu/Toy@G3 NGs + UTMD處理6 h后,Au NPs的吞噬情況;(c-d)不同材料處理后Pan02細胞的凋亡流式分析和定量分析;(e)內質網應激相關蛋白的Western blot實驗結果圖;(f-j)不同材料處理后Pan02細胞內相關蛋白的表達水平。


  隨后,團隊通過巨噬細胞轉型實驗探究基于Au NPs的納米凝膠對TAMs復極化M1型的作用(圖4a)。通過激光共焦顯微鏡觀察CRT外翻、ELISA實驗檢測損傷相關模式分子(DAMPs釋放和樹突細胞熟化實驗探究Au/Toy@G3 NGs產生的ICD效應(圖4b-g),證明經納米藥物和UTMD聯合處理后可產生明顯增強的癌細胞ICD,可誘導樹突細胞熟化。 


4.aPan02經不同實驗組處理后的流式分析圖;(bPan02經不同實驗組處理后CRT的表達,(cATP的分泌,(dHMGB-1的釋放情況分析圖;eTranswell示意圖;(f-g)樹突細胞的熟化情況結果分析圖。


  隨后研究團隊在小黑鼠體內構建了Pan02皮下瘤模型,驗證了UTMD促進的Au/Toy@G3 NGs介導的化學免疫治療與Anti-PD-L1介導的免疫檢查點阻斷法相結合產生了最佳抗腫瘤效果(圖5a-d)。Au/Toy@G3 NGs + UTMD + Anti-PD-L1在對腫瘤細胞壞死、凋亡(78.2%)和抑制增殖(10.2%)方面的效果最為顯著(圖5e)。ERS相關蛋白免疫熒光染色結果顯示,Au/Toy@G3 NGs + UTMDAu/Toy@G3 NGs + UTMD + Anti-PD-L1中的XBP1s下降最顯著,而pIRE1αCHOP可以達到最高的表達水平(圖5f 


5.aPan02小鼠體內治療過程示意圖;(b-d)治療后小鼠體重和相對腫瘤體積變化;(e)小鼠腫瘤切片HETUNELKi67染色結果;(f)小鼠腫瘤切片XBP1spIRE1αCHOP染色結果。


  為了驗證聯合治療對小鼠腫瘤微環境中巨噬細胞的影響,研究發現Au/Toy@G3 NGs + UTMDAu/Toy@G3 NGs + UTMD + Anti-PD-L1使TME中的M2型巨噬細胞復極化,M1型巨噬細胞比例升高(圖6a經流式分析發現,UTMD增強的化學免疫治療使腫瘤中CD4+CD8 T+細胞顯著上調,而調節性T細胞(Tregs)表達下調,有效地重新調控免疫抑制性TME,激活小鼠的抗腫瘤免疫反應(圖6b-f)。小鼠脾臟部位的CD4+CD8 T+細胞免疫熒光染色結果也驗證了聯合治療組產生了最強的全身免疫(圖6g)。 


6.a)小鼠腫瘤部位CD86CD206染色結果;(b)小鼠腫瘤部位CD4+CD8+T細胞的分布情況;(c)小鼠腫瘤部位Tregs的表達情況;(d-fCD4+ TCD8+ T細胞和Tregs細胞的表達水平;(g)脾臟CD4+CD8+ T細胞的免疫熒光染色結果分析。


  簡而言之,該研究設計的Au/Toy@G3 NGs具有以下優勢1)通過反相微乳液法形成雜化NGs,在TME中響應性釋放Au NPsToy,以提高它們的生物利用度2Au/Toy@G3 NGs一方面可通過Toy增強的內質網應激介導腫瘤細胞凋亡和免疫原性死亡,進一步刺激樹突細胞熟化,從而激發抗腫瘤免疫反應;另一方面,Au NPs可將TAMsM2型轉向M1型,重新調控免疫抑制TME,在增強抗腫瘤免疫治療的同時實現腫瘤CT成像3UTMD增強的腫瘤滲透和PD-L1抗體介導的ICB,可以實現增強的抗腫瘤化學/免疫聯合治療效果。本研究構建的響應型Au/Toy@G3 NGsUTMD增強的組織穿透力和CT成像引導下,通過靶向腫瘤細胞和免疫細胞的化學/免疫聯合治療策略,實現了腫瘤高效診療療,為開發新型腫瘤高效治療納米藥物提供新思路。


  以上研究成果以“Redox-Responsive Dendrimer Nanogels Enable Ultrasound-Enhanced Chemoimmunotherapy of Pancreatic Cancer via Endoplasmic Reticulum Stress Amplification and Macrophage Polarization為題,在線發表于國際著名期刊Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202301759)。東華大學生物與醫學工程學院碩士研究生張桂芝為第一作者,史向陽教授、沈明武教授和葡萄牙馬德拉大學的Jo?o Rodrigues教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、上海市科委及上海市領軍人才計劃等項目的資助。


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301759

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(責任編輯:xu)
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