科學家設計主動滲透納米載體，完美平衡藥物釋放和轉胞運作用，助力研發抗腫瘤納米新藥

近日，浙江大學相佳佳研究員和團隊研制出一種三級胺氧化物修飾的聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物（OPGA-PTX）。

通過調控該鍵合物載體的化學結構，可以優化其細胞內分布，從而起到平衡細胞內藥物釋放和轉細胞的作用。

圖 | 相佳佳（來源：相佳佳）

細胞內藥物釋放和轉胞運的平衡問題，是此前轉胞運納米藥物設計方面一個久被忽視、但又十分重要的問題。

這項工作中，他們提出一種新型的納米藥物設計策略，即在設計載體化學結構以行使各項功能時，考慮利用生物體或細胞本身的機制和通路，賦予載體智能化的特性。

也就是利用載體在不同細胞器中的分布，解決藥物釋放和轉胞運的問題。通過此，可以為設計兼具高效轉胞運作用和抗腫瘤作用的納米藥物提供新思路。

這既能解決當前納米藥物的腫瘤滲透瓶頸，讓納米藥物能被遞送至腫瘤細胞甚至遠端細胞，同時藥物也能在腫瘤細胞內得到有效釋放，從而殺死腫瘤細胞。

據相佳佳介紹，這項成果是在聚谷氨酸-紫杉醇的基礎上改進而來。其化學結構比較簡單，而且聚氨基酸的生物相容性比較好，具有不錯的轉化前景。

未來，該團隊將進一步拓展本次體系，在動物模型上進行試驗和推進轉化進程。

此外，他們也在積極拓展本次體系在其他疾病模型上的應用。比如，通過滴眼給藥治療眼部疾病，以及通過口服治療腸道疾病等。

（來源：Advanced Materials）

胞內截留和細胞間轉運的平衡難題

據介紹，納米藥物能夠有效降低藥物的副作用，提高一些難溶藥物或易降解藥物的生物利用度。

當把納米藥物經靜脈注射之后，通常需要經歷五個復雜的級聯步驟（CAPIR）：

• 在全身血液中的循環（Circulation）；

• 逐漸蓄積到腫瘤組織（Accumulation）；

• 滲透到無血管的腫瘤組織和遠端腫瘤細胞（Penetration）；

• 隨后被細胞內化（Internalization）；

• 最后釋放藥物殺死腫瘤細胞（Release）。

納米藥物的整體遞送效率，主要取決于這五個步驟。但是，實體瘤本身情況十分復雜：其腫瘤微環境中的細胞外基質十分致密、血管分布混亂，腫瘤細胞密集堆積、間質流體壓力高。

這些因素導致腫瘤滲透成為納米藥物難以克服的瓶頸，也是當前納米藥物臨床療效低的主要原因之一。

該課題組在 2019 年首次提出，利用細胞內在的轉胞運作用來跨細胞遞送納米藥物，以繞開腫瘤組織致密的細胞外基質，并證明這是一種能克服實體瘤滲透屏障和實現腫瘤深層滲透的有效手段。

前期研究發現，腫瘤特異性酶響應的電荷反轉聚合物以及三級胺氧化物聚合物載體，能夠有效促進納米藥物的腫瘤滲透效果。

但是，目前關于載體誘導細胞轉胞運作用的研究，主要集中在提升轉運性能，以讓其在被細胞攝取之后，盡可能地被運至高爾基體或內質網等具有外泌功能的細胞器。

然而，腫瘤細胞需要截留部分納米藥物、或截留部分釋放的藥物，以便在完成轉胞運之后，誘導腫瘤細胞死亡。

因此，如何實現藥物胞內截留和細胞間轉運之間的平衡，從而獲得藥物釋放和腫瘤滲透之間的協調，進而使腫瘤治療效果達到最佳，仍然是一項挑戰。

基于此，該團隊設計了這種新型的聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物（OPGA-PTX），其具有不同的親疏水比和三級胺氧化物含量，并以組織蛋白酶 B 響應的多肽序列作為藥物連接子。

（來源：Advanced Materials）

能在幾乎不影響小鼠體重情況下顯著抑制腫瘤生長

事實上，本項研究的初版思路和終版思路存在很大差別。

此前，聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物已經進入過臨床研究，但是最終仍以失敗告終。該團隊分析其中一個原因是藥物在腫瘤的富集和滲透不佳所導致的。

因此，他們想把課題組之前開發的一種三級胺氧化物，修飾到聚谷氨酸-紫杉醇鍵合物上，以增強它的腫瘤滲透性能。

然而，他們發現所設計的藥物鍵合物，被細胞內吞之后不僅會分布在高爾基體中，在溶酶體中也有大量分布，這與設計初衷是相悖的。

而在該團隊的前期工作中，所設計的具有轉胞運作用的聚合物，往往在高爾基體中有著較高的分布，而在溶酶體中則呈現出非常少的分布。

因此，他們意識到上述現象很可能是由于鍵合物的結構導致的。也就是說，載體親疏水性以及三級胺氧化物的修飾比例，有可能是主要的影響因素。

于是，他們開始轉換思路：能否通過優化聚合物的結構，來調控納米藥物在高爾基體和溶酶體中的分布？

之所以這樣設想，是基于：高爾基體與轉胞運作用密切相關，而溶酶體則是發揮胞內降解作用的重要細胞器。

當納米藥物并被細胞內吞之后，部分能轉運至高爾基體，從而發揮轉胞運作用；同時部分納米藥物可以被溶酶體截留，響應組織蛋白酶 B 進而釋放活性藥物，最終殺死頑固的腫瘤細胞。

基于此，該團隊通過調節鍵合物的親疏水比例和三級胺氮氧基團含量，來優化其在細胞內的分布。

細胞實驗結果表明：親疏水比例和三級胺氮氧基團含量，對鍵合物的內吞、亞細胞分布和轉胞運作用產生決定性影響。

他們由此篩選出最符合預期的紫杉醇鍵合物：它可以被細胞快速內吞，在溶酶體和高爾基體中具有較為平衡的分布，并能發揮快速轉胞運和腫瘤滲透能力。

對于篩選出來的紫杉醇鍵合物，課題組在動物水平上考察其是否具有良好的血液循環能力、腫瘤血管外滲和腫瘤滲透能力。

結果發現在動物實驗中，所篩選的紫杉醇鍵合物的確展現出優異的能力，這為進一步開展體內抗腫瘤實驗打下了基礎。

而在體內抑瘤活性實驗中，相比對照組，目標紫杉醇鍵合物也展現出更好的抗腫瘤效果，能在幾乎不影響小鼠體重的情況下顯著抑制腫瘤生長。

這表明本次設計的紫杉醇鍵合物，具有良好的生物安全性和抑瘤活性。

此外，相佳佳表示：“本項研究的絕大部分工作由課題組的一名碩士生和一名博士生合作完成，分別負責生物學表征和聚合物載體合成。”

讓他印象最深刻的是這位碩士生，這名女生幾乎從零開始入門，獨立完成了所有細胞實驗和動物實驗的驗證工作。

剛加入實驗室的時候，她幾乎不懂細胞也非常害怕小鼠，高分子載體設計的知識也比較薄弱。

“期間，她經歷了許多次的實驗失敗再重來，也經歷了多次自我信心的不斷重建。”相佳佳說。

當發現本次聚合物和課題組此前設計的轉胞運觸發型載體，在溶酶體和高爾基體中存在巨大分布差異時，這名女生非常崩潰，一度考慮是否放棄課題，畢竟當時還面臨著畢業的壓力。

“好在她堅持下來了，那段時間我們不斷地討論和嘗試，逐漸提出最終的研究思路，即通過優化聚合物的化學結構，來調節聚合物在高爾基體和溶酶體中的分布，以便平衡納米藥物轉胞運和胞內釋放。”相佳佳說。

如今，這名女生的細胞實驗技能和動物實驗技能也愈加嫻熟，克服了對小鼠的恐懼，科研水平也得到質的提升，目前正在香港科技大學攻讀博士學位。

另外，相關論文也于近期以《調節細胞內動力學以優化細胞內釋放和轉胞吞平衡》（Modulating Intracellular Dynamics for Optimized Intracellular Release and Transcytosis Equilibrium）為題發在 Advanced Materials[1]。

袁桂萍和李明輝是第一作者，相佳佳和浙江大學申有青教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

不過，研究中他們也發現該鍵合物依舊存在一些不足，因此后續要繼續優化結構，在大動物模型上進行驗證。同時，還得考慮相關藥物的放大生產，盡可能地推進臨床轉化。

另外，相佳佳表示：“AI for Material Design 一定是未來的趨勢，我們課題組當然也不會錯過這樣一個機遇，要抓緊上船，目前也正在開展這方面的工作。”

參考資料：

1.Yuan, G., Li, M., Zhang, Y., Dong, Q., Shao, S., Zhou, Z., ... & Shen, Y. (2024). Modulating Intracellular Dynamics for Optimized Intracellular Release and Transcytosis Equilibrium. Advanced Materials, 2400425.