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Nature子刊:抗癌新突破!通过胀破溶酶体而撑死癌细胞!

来源:本站原创 2020-04-05 16:34

2020年4月5日讯 /生物谷BIOON /——纳米颗粒表面覆盖着带正电和负电的配体混合物,聚集在癌细胞溶酶体的超配体中,破坏溶酶体膜的完整性,杀死细胞,但不涉及任何抗癌药物。

纳米医学在促进疾病的诊断和治疗方面显示出巨大的潜力。为此,将治疗诊断试剂装载到纳米颗粒上和/或进入纳米颗粒,以增加其溶解度,同时延长血液循环,以便更有效地将药物输送到病变部位。此外,通过优化载体的大小、形状和表面性质,可以提高药物的药代动力学和靶向效率。目前,许多基于纳米颗粒的给药系统已被批准用于肿瘤治疗,还有更多的系统正在进行临床试验或临床前评估。然而,临床转化的挑战依然存在,例如,脱靶毒性。尽管进行了大量的研究工作,但系统给药的纳米颗粒中只有很小一部分(通常低于1%)能进入实体肿瘤。其余部分携带有毒药物到健康的组织和器官,造成脱靶毒性和有害的副作用。

图片来源:https://cn.bing.com

因此,迫切需要探索新的战略,要么显示出更好的靶向性,要么根本不含有毒药物。Borkowska等人在《Nature Nanotechnology》杂志上发表的文章中提出了一种"无药"策略,通过控制溶酶体中惰性金纳米颗粒的聚集状态来杀死癌细胞。

溶酶体是废物处理的细胞器,它接收并消化来自细胞内外的货物。未消化物质的积累会导致溶酶体膨胀,从而增加溶酶体膜的通透性,最终导致细胞死亡。因此,溶酶体通过操纵货物的聚集状态,例如惰性纳米颗粒,为癌症治疗提供了一个靶点。根据Derjaguin、Landau、Verwey和Overbeek (DLVO)理论,纳米粒子的聚集状态强烈依赖于长距离的静电斥力,这种斥力对粒子表面的电荷以及介质的离子强度和pH值非常敏感。这些参数都可以用来控制纳米粒子的聚集状态。由于肿瘤组织的酸性(pH = 6.5-6.9)比健康组织(pH≈7.4)强,而溶酶体的酸性更强(pH≈4.8) ,因此为合理工程纳米颗粒的表面电荷与细胞相互作用时操纵他们的聚合行为提供了激活。

为了实现这一概念,Borkowska等人通过在5纳米的金纳米颗粒表面分别用带正电荷的N、N、N-三甲基(11-巯基癸基)氯化铵(TMA)和带负电荷的11-巯基癸酸(MUA)对其表面进行修饰,制备了具有混合表面电荷的纳米颗粒(图1b)。纳米颗粒以4:1(TMA:MUA)的比例混合后可以在含有10%的胎牛血清的水溶液中对pH响应发生聚集,在pH = 4.5 - -5.5的时候可以聚集到2 μm。值得注意的是,这些纳米颗粒与癌细胞培养时表现出类似的行为。它们在细胞表面迅速聚集成簇,细胞外pH值约为6.5。形成的团簇被内吞,然后在酸性更强的溶酶体中凝聚成更大的颗粒。

金纳米颗粒的大量聚集减慢了溶酶体的运动,使它们难以通过胞吐清除。此外,纳米颗粒聚集物增加了溶酶体内部的渗透压,迫使溶酶体膨胀。肿胀增加溶酶体膜的通透性,最终导致细胞死亡;值得注意的是,这一策略对13种不同类型的癌细胞有效,包括肉瘤、乳腺癌、前列腺癌和肺癌,以及黑色素瘤。相比之下,由于健康组织的中性细胞外环境,健康细胞不受影响。相反,纳米颗粒通过胞吐作用被清除,不会对正常细胞造成伤害。

Borkowska等人的研究表明,只有TMA与MUA比例为4:1的纳米颗粒才能通过pH引发的聚集选择性杀伤癌细胞。仅覆盖阳离子配体的纳米粒子对癌变细胞和健康细胞都有细胞毒性。这可以解释为,纯粹的阳离子纳米颗粒可以通过直接的膜渗透轻易地进入这两种类型的细胞,使质膜具有渗透性。带有越来越多负离子配体的纳米粒子失去了细胞毒性,因为它们不能很好地附着在带负电荷的质膜上,使得它们很难被内化。

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这种癌症治疗方法只涉及生物惰性和基本生物相容性金纳米颗粒。治疗的力量来自由细胞周围和溶酶体的物理化学微环境的变化所触发的纳米颗粒的聚集。因此,通过设计,传统疗法不可避免的不良影响可能被消除。此外,溶酶体细胞死亡提供了一种不同于大多数抗癌药物所利用的杀死癌细胞的机制,这可能为对付耐药性提供了一种新的可能性。

尽管混合电荷纳米粒子在体外选择性杀伤癌细胞的性能令人鼓舞,但要实现临床转化还有很长的路要走。首先,需要在体内证明其有效性,这将是一个重大的挑战,因为纳米颗粒的聚集对pH值非常敏感,而且在体内的生物环境更加复杂。此外,在疾病治疗后清除体内的超制品也是一个值得关注的问题。一种可能的替代方法是使用生物可降解聚合物代替金纳米颗粒。然而,精确地修饰聚合物纳米颗粒的表面以达到特定比例的混合表面电荷将增加一个新的挑战。此外,混合电荷纳米粒子pH敏感性聚集的机制仍需充分了解。带正电的配体、带负电的配体和蛋白冠的明确作用都有待阐明和论证。从体外数据来看,通过利用依赖pH的纳米颗粒聚集有选择地杀死癌细胞,为推进癌症治疗提供了一种有前途的策略,并为潜在的疾病治疗打开了大门,而不涉及与有毒药物相关的不良后果。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Qiu, J., Xia, Y. Killing cancer cells by rupturing their lysosomes. Nat. Nanotechnol. (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-0639-z

【2】Borkowska, M., Siek, M., Kolygina, D. et al. Targeted crystallization of mixed-charge nanoparticles in lysosomes induces selective death of cancer cells. Nat. Nanotechnol. (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-0643-3
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