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Science子刊:孙钰/黄熹团队发明机械纳米手术技术,利用磁控碳纳米管治疗耐药胶质母细胞瘤

来源:生物世界 2023-04-04 11:42

值得一提的是,临床中有超过一半的的胶质母细胞瘤病人会发展出先天性或者获得性替莫唑胺抗性。而此方法在两种抗药性的小鼠模型中都显著地提高了荷瘤小鼠的生存期,为治疗抗药性胶质母细胞瘤提供了新手段。

胶质母细胞瘤是原发性恶性脑肿瘤最常见的类型,患者的中位生存期只有15个月左右。常规治疗手段如手术、化疗、放疗等,对疾病改善作用有限。2005年,美国FDA批准了替莫唑胺作为治疗胶质母细胞瘤的化疗药物。但是,替莫唑胺仅将患者的中位生存期提高了两个月。治疗失效的主要原因是胶质母细胞瘤产生了对抗治疗的抗药性,因此,能够治疗具有抗药性的胶质母细胞瘤的方法非常重要。

 

近日,多伦多大学孙钰院士、多伦多病童医院黄熹教授研究团队合作,在 Science Advances 期刊发表了题为:Mechanical nanosurgery of chemoresistant glioblastoma using magnetically controlled carbon nanotubes 的研究论文。

 

该研究通过磁场控制含铁碳纳米管(magnetic carbon nanotube,mCNT),产生碳纳米管的机械运动,从而对肿瘤细胞施加机械刺激,导致肿瘤细胞死亡。

 

 

研究团队发现,将含铁碳纳米管和肿瘤细胞在培养基中共同培养24小时后,施加旋转磁场可以导致肿瘤细胞死亡。因为含铁碳纳米管的机械刺激导致线粒体膜极性改变,从而导致细胞色素C释放到细胞质中,引发细胞凋亡。

 

在携带胶质母细胞瘤的小鼠实验中,研究团队将含铁碳纳米管注射到肿瘤区域,将磁场施加在肿瘤区域。在治疗磁场的设计上,研究团队考虑尽量减小治疗对健康脑组织的影响,设计了针对肿瘤部位的动态磁场;与均匀旋转磁场不同,动态磁场确保肿瘤区域有足够的旋转能量,同时尽量减少向非肿瘤组织区域输送的旋转能量。磁场治疗每隔一天进行一次,每次治疗结束后,利用生物荧光成像观察治疗效果。实验结果显示,在5次治疗后,治疗组的肿瘤明显小于对照组。治疗显著提高了带有胶质母细胞瘤的小鼠生存期。

 

 

通过进一步分析胶质瘤病人数据库,研究团队发现胶质母细胞瘤细胞表面有富集表达CD44蛋白的特征。在小鼠肿瘤模型中,胶质母细胞瘤表达更多的CD44蛋白,组织化学染色分析也证实了这一点。研究团队将针对CD44的抗体合成到含铁碳纳米管表面,含铁碳纳米管在肿瘤中的富集和保留得到了大幅提升。研究团队利用负载了CD44抗体的含铁碳纳米管治疗,进一步显著延长了带有胶质母细胞瘤的小鼠生存期(n>10)。

 

 

研究团队验证了含铁碳纳米管在先天性抗化疗(upfront resistance)和获得性抗化疗(acquired resistance)的胶质瘤中的治疗效果。通过CRISPR基因编辑技术敲除MSH6基因,研究团队建立了对替莫唑胺有先天性抗性的细胞。另外,通过长期替莫唑胺处理并逐渐提升替莫唑胺浓度,研究团队也筛选出了对替莫唑胺有获得性抗性的细胞。在这两种抗替莫唑胺的胶质瘤模型中,含铁碳纳米管和磁场的治疗均显著提升了带有胶质母细胞瘤小鼠的生存期。

 

 

总的来说,研究团队发明了机械纳米刀技术,利用磁场和含铁碳纳米管有效治疗胶质母细胞瘤,并在大量的动物实验中得以验证(实验小鼠数量大于200只)。这项技术利用机械刺激破坏细胞结构,并通过磁场设计和表面抗体的功能化,赋予了含铁碳纳米管在胶质瘤中富集的能力,达到在时间和空间上可控的靶向治疗肿瘤的效果。

 

值得一提的是,临床中有超过一半的的胶质母细胞瘤病人会发展出先天性或者获得性替莫唑胺抗性。而此方法在两种抗药性的小鼠模型中都显著地提高了荷瘤小鼠的生存期,为治疗抗药性胶质母细胞瘤提供了新手段。

 

多伦多病童医院博士后王宪(现为加拿大女王大学助理教授)为该论文的第一作者,多伦多大学孙钰院士和多伦多病童医院黄熹教授为共同通讯作者。

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