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東華大學(xué)史向陽教授團(tuán)隊 Nano Today:微流控合成腫瘤微環(huán)境調(diào)控型超小氧化鐵納米團(tuán)簇用于動態(tài)MR成像導(dǎo)引的腫瘤聯(lián)合治療
2022-09-17  來源:高分子科技

  為實現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)診療,開發(fā)腫瘤微環(huán)境(TME)刺激響應(yīng)性成像診斷和藥物遞送的智能納米藥物至關(guān)重要。然而,由于腫瘤部位復(fù)雜的生理和病理障礙,實現(xiàn)納米藥物的高效腫瘤遞送仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。因此,在開發(fā)新型智能診療納米平臺時,需要考慮多種障礙,主要包括免疫清除、網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)引起的滯留效應(yīng)、高間質(zhì)液壓力、血管滲漏和淋巴引流不良等。為了克服免疫和RES器官清除,由于癌細(xì)胞膜(CCM)上存在免疫片段、抗原和膜錨蛋白,多種CCM包裹的仿生納米平臺被賦予了免疫逃逸和同源腫瘤靶向能力。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的成像診斷、有效的腫瘤給藥和降低全身毒副作用,設(shè)計TME(酸性pH、過量谷胱甘肽(GSH)等)刺激響應(yīng)性釋放藥物的智能納米藥物尤為關(guān)鍵。


  對于納米藥物的開發(fā)來說,傳統(tǒng)合成方法存在諸多缺陷,在重復(fù)性制備相同理化性質(zhì)和足夠數(shù)量的高質(zhì)量納米平臺方面顯得力不從心。特別是不同批次的納米平臺差異較大,這嚴(yán)重阻礙了其臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。相比之下,微流控技術(shù)能夠通過在微米尺度空間操控微流體進(jìn)行反應(yīng),可以精確控制納米平臺的合成過程,包括成核、生長和聚集。微流控作為一種很有前途的技術(shù),具有試劑損耗低、可控制備和一步合成等特點,在合成高質(zhì)量納米平臺方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢,能極大助力納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化。


  為了制備高質(zhì)量的納米平臺,用于克服TME的生理屏障,實現(xiàn)納米藥物的高效靶向遞送、腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的藥物釋放、動態(tài)磁共振成像和腫瘤的聯(lián)合治療,東華大學(xué)史向陽教授團(tuán)隊基于微流控技術(shù)開發(fā)了CCM包覆的負(fù)載順鉑的聚多巴胺超小氧化鐵納米團(tuán)簇(FDPC NCs)用于腫瘤微環(huán)境刺激響應(yīng)的動態(tài)磁共振成像導(dǎo)引的腫瘤聯(lián)合治療(圖1)。研究團(tuán)隊首先利用含有二硫鍵的胱胺(Cys)將超小鐵(Fe3O4)交聯(lián),得到GSH響應(yīng)的Fe3O4納米團(tuán)簇(Fe3O4 NCs)。隨后以Fe3O4 NCs、多巴胺鹽酸鹽(DA)、順鉑和CCM為原料,基于微流控方法合成了尺寸均一的FDPC NCs。為了比較,研究團(tuán)隊通過傳統(tǒng)的濕化學(xué)法制備了FDPC NCs的類似物(NFDPC NCs)。對比發(fā)現(xiàn),FDPC NCs展現(xiàn)出更好的尺寸均一性,膠體穩(wěn)定性和TME響應(yīng)藥物釋放性能。同時,FDPC NCs還具有良好的光熱性能、GSH觸發(fā)的動態(tài)T2/T1 MR成像性能和羥基自由基(·OH生成能力 


1. FDPC的微流控制備(ANFDPC的非微流控制備(B)及其用于動態(tài)T2/T1 MR成像導(dǎo)引的腫瘤光熱-化學(xué)-化學(xué)動力學(xué)三模態(tài)聯(lián)合治療的示意圖C


  研究結(jié)果表明,相比于NFDPC NCs由于良好的尺寸均一性,FDPC NCs的癌細(xì)胞攝取量更高,從而抗腫瘤效果更明顯。一方面,在近紅外光照下,由于光熱治療-化療-化學(xué)動力學(xué)治療聯(lián)合治療的優(yōu)勢,FDPC NCs表現(xiàn)出良好的抗腫瘤活性;另一方面,由于TME響應(yīng)的特異性藥物釋放,FDPC NCs對正常L929細(xì)胞的毒副作用幾乎可以忽略。同時,FDPC NCs具有良好的TME調(diào)控能力(圖2),一方面,二硫鍵的斷裂能夠消耗癌細(xì)胞內(nèi)的GSH,降低癌細(xì)胞的抗氧化能力,有助于使癌細(xì)胞對藥物和活性氧(ROS)敏感;另一方面通過超小鐵介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)生成ROS,進(jìn)一步消耗GSH和促進(jìn)脂質(zhì)過氧化物的積累,誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。 


2. 不同材料處理的細(xì)胞活力檢測結(jié)果A不同方式處理后細(xì)胞內(nèi)GSH水平變化情況(B);(C-D不同方式處理后細(xì)胞內(nèi)ROS水平變化情況。


  隨后,研究團(tuán)隊研究了FDPC NCs在小鼠乳腺癌4T1皮下瘤模型中的動態(tài)T2/T1 MR成像性能以及熱成像性能。結(jié)果表明,該材料能夠在腫瘤部位聚集,并且具有良好的動態(tài)T2/T1 MR成像和熱成像效果(圖3)。抗腫瘤活性結(jié)果表明,在近紅外光照下,FDPC NCs處理的小鼠腫瘤體積最小,相應(yīng)的腫瘤切片中凋亡和壞死的癌細(xì)胞最多,即表現(xiàn)出最強(qiáng)的腫瘤抑制效果。從治療過程中小鼠體重變化和治療結(jié)束后小鼠主要臟器的HE切片中,可以發(fā)現(xiàn)FDPC NCs的毒副作用幾乎可以忽略,而單獨化療藥順鉑則表現(xiàn)出較強(qiáng)的毒副作用。另外,從肝臟的HE切片中可以觀察到,FDPC NCs的治療明顯抑制了4T1癌細(xì)胞的肝轉(zhuǎn)移(圖4)。 


3. 尾靜脈注射不同材料后小鼠體內(nèi)動態(tài)T2/TMR成像A);尾靜脈注射不同材料后腫瘤部位TTMR信噪比(B-C);尾靜脈注射不同材料后小鼠體內(nèi)熱成像及對應(yīng)腫瘤部位溫度變化(D-E)。 


4. 小鼠體內(nèi)治療過程示意圖(A);治療14天內(nèi)小鼠腫瘤體積及體重變化曲線(B-C);治療第14天腫瘤照片(D);治療第14天腫瘤切片的HETUNEL染色結(jié)果(E);治療第14天主要臟器切片的HE染色結(jié)果(F)。


  簡言之,該研究設(shè)計的FDPC納米平臺的主要優(yōu)勢在于以下幾個方面:1與傳統(tǒng)濕化學(xué)方法制備的類似物相比,基于微流控的方法制備的FDPC納米平臺具有更好的均一性、膠體穩(wěn)定性和TME刺激藥物釋放性能2)通過二硫鍵的斷裂消耗GSH和基于超小鐵介導(dǎo)的ROS生成,調(diào)控腫瘤微環(huán)境,降低癌細(xì)胞的抗氧化能力,促使癌細(xì)胞對藥物和ROS敏感,減少毒副作用3FDPC納米平臺具有良好的同源靶向性能、光熱性能和GSH響應(yīng)的MR成像性能,可用于靶向腫瘤GSH響應(yīng)的動態(tài)T2/T1 MR成像和聯(lián)合治療


  以上研究成果以“Microfluidic synthesis of intelligent nanoclusters of ultrasmall iron oxide nanoparticles with improved tumor microenvironment regulation for dynamic MR imaging-guided tumor photothermo-chemo-chemodynamic therapy”為題,發(fā)表于國際著名期刊Nano TodayDOI: 10.1016/j.nantod.2022.101615)。東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士研究生楊瑞為第一作者,東華大學(xué)史向陽教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項目的資助。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101615

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