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東華大學史向陽團隊 ACS Materials Lett.:樹狀大分子納米凝膠共遞送藥物/免疫激動劑用于緩解腫瘤耐藥
2024-01-05  來源:高分子科技

  腫瘤耐藥是臨床化療效果受限的重要原因之一;熕幬锏竭_癌細胞需經過復雜的運輸步驟,不僅要克服體循環中的生物屏障,還需克服腫瘤微環境(TME)內在的多重阻礙。在此期間,藥物容易被機體清除,并產生脫靶效應,作用于正常組織催生副作用。同時,TME通過代謝重編程、免疫檢查點相互作用、免疫抑制型細胞群富集等多種機制,使得許多化療藥物催生的免疫反應失活,阻礙免疫細胞識別和殺傷,使得療效不盡如人意。即使藥物最終抵達癌細胞內部,癌細胞還會通過一些耐藥保護機制阻滯藥物發揮效果,如耐藥癌細胞表面會表達藥物外排泵P-糖蛋白(P-gp)將化療藥物外排。因此,開發克服腫瘤耐藥性和 TME 免疫抑制的新型給藥策略十分重要。


  納米載體可用于延長傳統治療劑的血液循環時間,提高藥物生物利用度,促進其腫瘤蓄積,從而增強抗腫瘤療效。在眾多納米載體材料中,納米凝膠由于其靈活的網絡設計、良好的生物相容性、優異的載藥量、藥物釋放可控等性能,在腫瘤藥物遞送中被廣泛應用。樹狀大分子作為一類3D結構的大分子材料,由于其獨特的結構、理化特性,也被視為一類極具潛力的載體材料。樹狀大分子外圍能共價修飾藥物或標記活性分子,其內部也能用于負載藥物及功能性納米顆粒,因而被廣泛應用于腫瘤納米藥物及診療試劑的構建。合成基于樹狀大分子的納米凝膠,有望獲得兼具水凝膠和樹狀大分子兩者優勢的納米遞送平臺。


  前期工作中,東華大學史向陽教授團隊利用第三代聚酰胺-胺(PAMAM)樹狀大分子為構建模塊,合成了功能化納米凝膠用于治療劑或造影劑的腫瘤遞送,實現了優異腫瘤造影和抗腫瘤效果(Biomacromolecules 2023, 24, 967-976; Adv. Sci. 2023, 10, 2301759)。在最近的研究工作中,團隊利用反相微乳液法合成了一種基于第二代聚亞烷基胺(PADA)樹狀大分子的納米凝膠(DNG,如圖1a所示)。該DNG材料具有良好的生物相容性和負載能力,能夠作為載體共遞送化療藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)和免疫激動劑環二核苷酸(cGAMP)用于小鼠腫瘤模型的化療/免疫聯合治療(圖1b)。 


1.aPADA樹狀大分子納米凝膠的合成路線(b)及負載5-FUcGAMP用于腫瘤聯合治療的機制示意圖。


  團隊選用CT26小鼠結直腸癌細胞進行體外實驗評價。結果表明,5-FUCT26細胞中存在一定的耐受現象,但載藥凝膠FDNG克服了這一問題(圖2a)。進一步實驗顯示,DNG在被癌細胞內吞后能夠在胞內滯留較長時間(圖2b-d),且能下調細胞表面的藥物外排泵P-gp的表達(圖2e-f),有助于克服癌細胞中P-gp介導的耐藥性。通過細胞周期實驗發現,相較于自由的5-FU,癌細胞在經過FDNG或共遞送凝膠體系(FDNG/cGAMP)處理后,G1-S細胞周期阻滯效果更佳(圖3a-b)。 


2.aCT26 細胞經不同濃度5-FUFDNG 處理 24 小時后的細胞活;(b)流式細胞術檢測不同培養時間后CT26細胞中FDNG-Cy5.5的滯留情況和(c)平均熒光強度;(dFDNG-Cy5.5與細胞在不同培養時間段后細胞共聚焦顯微鏡照片(比例尺= 20 μm);(e)不同濃度5-FUFDNG處理24小時后CT26細胞中P-gp表達的Western印跡分析和(f)定量結果。


  為了研究體外FDNG/cGAMP的免疫調節作用,利用Transwell系統進行不同條件處理后的CT26細胞與小鼠樹突細胞或RAW264.7巨噬細胞的共培養(圖3c)。結果顯示,由于cGAMP共遞送所產生的靶向STING通路的免疫激活作用,FDNG/cGAMP處理后,上室中CT26細胞所分泌的IFN-β最多(圖3d),并能夠促進樹突細胞成熟(圖3e)、巨噬細胞的M1極化(圖3f)和相應抗原遞呈MHC分子的表達(圖3g-j),有利于實施抗腫瘤免疫調節作用。 


3.aCT26 細胞經不同材料處理24小時后的細胞周期流式檢測和(b)各周期定量結果;(c)體外檢測樹突細胞/巨噬細胞免疫激活效果的Transwell系統示意圖;(d)上室CT26細胞分泌IFN-βELISA檢測結果;不同材料處理后下室(eCD80+CD86+樹突細胞和(fM1/M2巨噬細胞的流式檢測定量結果;(g-j)不同材料處理后下室樹突細胞表面遞呈MHC-I/II的流式細胞檢測結果。


  團隊隨后建立小鼠CT26皮下瘤模型進行體內抗腫瘤評價(圖4a)。通過監測小鼠腫瘤體積變化發現,FDNGFDNG/cGAMP具有優良的腫瘤生長抑制效果(圖4b-c),顯著優于自由的化療藥物免疫激動劑。與此同時,治療周期內各組小鼠體重變化趨勢并無明顯差異,表面各組材料注射后均無明顯系統毒性(圖4d)。 


4.a)體內抗腫瘤評價流程示意圖;(b)經不同材料治療后15 天中小鼠的個體腫瘤生長曲線、(c)相對腫瘤體積變化曲線和(d)體重變化趨勢。


  進一步研究小鼠體內免疫響應的效果發現,FDNG/cGAMP治療組小鼠脾臟中的CD8+ T細胞分布最多(圖5a),免疫抑制型Treg細胞分布最少(圖5b),且CD8+/CD4+比例最高(圖5c)。同時,FDNG/cGAMP治療組小鼠的腫瘤部位的CD8+ T 細胞浸潤(圖5d)和M1型巨噬細胞分布也最多(見原文補充數據)。小鼠血清的ELISA結果也顯示FDNG/cGAMP治療后,相應抗腫瘤細胞因子TNF-α(圖5e、IFN-γ(圖5f、IL-6(圖5gIFN-β(圖5h含量最高。


  為了探究FDNG/cGAMP的體內分布情況,團隊進行了小鼠活體和離體的熒光成像。從實驗結果可以看出,FDNG-Cy5.5/cGAMP相比于Cy5.5,能更快地抵達腫瘤部位(圖5i),同時FDNG-Cy5.5/cGAMP在體內的滯留時間相比于Cy5.5更長,并且FDNG-Cy5.5/cGAMP主要通過肝腎代謝出小鼠體外(圖5j-k)。總結來看,本研究開發的樹狀大分子納米凝膠遞送體系能夠通過免疫調節和增強滯留兩重作用緩解腫瘤化療耐受性,有效抑制腫瘤生長。 


5. 15天體內實驗周期結束后不同實驗組小鼠脾臟中(aCD8+ T細胞和(bTregs、(cCD8+/CD4+比例以及(d)腫瘤中CD8+ T細胞比例;治療結束后小鼠血清中(eTNF-α、(fIFN-γ、(gIL-6和(hIFN-βELISA檢測結果;(i)荷瘤小鼠靜脈注射FDNG-Cy5.5/cGAMPCy5.5后不同時間點的體內熒光成像結果和(j72小時后主要器官和腫瘤的離體熒光圖像以及(k)平均輻射率(1:心臟;2:肝臟;3:脾臟;4:肺臟;5:腎臟;6:腫瘤)。


  上述研究以“Poly(alkylideneamine) Dendrimer Nanogels Co-Deliver Drug and Nucleotide to Alleviate Anticancer Drug Resistance through Immunomodulation”為題,發表在美國化學會期刊ACS Materials Letters上。東華大學生物與醫學工程學院的史向陽教授沈明武研究員和德國亞琛工業大學、DWI-萊布尼茲交互材料研究所的Andrij Pich教授為共同通訊作者,東華大學博士生高悅為第一作者。該工作得到葡萄牙馬德拉大學Jo?o Rodrigues教授團隊的大力支持,并受到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、上海市科委等項目及中央高;究蒲袠I務費專項資金的資助。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c01426

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(責任編輯:xu)
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