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天津大学药学院赵燕军教授课题组在铁死亡抗肿瘤纳米药物领域取得进展
2019-09-12  来源:高分子科技

  多药耐药 (Multidrug resistance, MDR) 在肿瘤化疗中普遍存在,它的发生与肿瘤复发和治疗失败密切相关。MDR涉及多种复杂的机制,其中耐药细胞 (persister cancer cells, PCCs) 的存在被认为是导致肿瘤复发的重要原因。PCCs具有肿瘤干细胞特性,可自我更新并产生构成肿瘤基质的各类细胞,由于其主要存在于非分裂的细胞周期G0期,因此可以避开靶向快速增殖细胞的传统化疗。已有研究表明,PCCs的形成与上皮-间质转化 (EMT)之间存在着密切联系,而处于高间充质耐药状态的癌细胞的存活高度依赖于脂质过氧化氢酶 (GPX4) 。GPX4抑制或缺失可直接导致细胞的程序性铁死亡 (ferroptosis)。铁死亡是一种铁离子特异性依赖的细胞死亡形式,其与氧化应激反应、胱氨酸代谢、脂质过氧化产物积累密切相关,并在形态学、生化、基因水平上均明显区别于凋亡、坏死、自噬。因此,通过诱导铁死亡来清除PCCs有望逆转癌细胞多药耐药。

  近日,天津大学赵燕军教授研究团队设计并制备了包载小分子铁死亡诱发剂RSL3的不饱和脂肪酸两亲性聚合物胶束 (mPEG-PLys-AA/RSL3, 简称Micelles/RSL3),并在耐药卵巢癌裸鼠模型上得到验证 (图1)。研究人员采用生物相容性聚乙二醇-聚赖氨酸 (mPEG-PLys) 作为胶束载体主链,侧链共价连接花生四烯酸,形成两亲性聚合物胶束。花生四烯酸的引入是整个设计的亮点,当物理包载RSL3的胶束通过被动靶向效应累积到肿瘤后,肿瘤细胞较高的活性氧 (ROS) 使得疏水的花生四烯酸发生脂质过氧化,使高分子亲水性增加,进而诱发胶束的解组装和药物在肿瘤微环境的应答释放。其次,花生四烯酸是铁死亡的“致死信号”的前体分子,以其作为载体构建基元,可间接增强铁死亡疗效。此外,脂质过氧化产物作为ROS可诱发细胞内谷胱甘肽 (GSH) 衰竭,间接增强RSL3的GPX4酶抑制作用。

图1. 花生四烯酸聚合物胶束递送GPX4抑制剂RSL3逆转肿瘤耐药示意图。

  这一聚合物胶束的设计基于课题组近年应答响应型纳米药物载体领域的积累 (ACS Appl Mater Interface, 2019, 11, 29655; Biomater Sci, 2019, 7, 429; Nano Res, 2018, 11, 6177; ACS Appl Mater Interface, 2019, 10, 17117),特别是在活性氧敏感的药物载体方面的前期工作 (J Control Release, 2018, 286, 381; J Control Release, 2017, 260:12)。针对这一新型铁死亡纳米药物胶束载体,研究人员首先通过各项体外实验证明了Micelles/RSL3胶束的纳米级球形形貌以及在模拟体循环条件下的稳定性。在模拟肿瘤细胞ROS环境下,花生四烯酸的不饱和结构在数分钟内即可完全被破坏,从而促进RSL3释放 (图2)。

图2. 花生四烯酸聚合物胶束的理化表征及ROS敏感药物控释。

  随后,研究人员通过检测试剂盒,Western Blot和LipeFluo荧光探针分别检测了胶束及不同对照样品处理的耐药肿瘤细胞内GSH浓度、脂质过氧化水平和GPX4活性 (图3-4)。结果表明花生四烯酸可显著降低GSH含量,而对GPX4的活性没有影响。而RSL3仅抑制GPX4,但不干扰GSH水平。花生四烯酸和RSL3的摄入均可提升肿瘤细胞内脂质过氧化物的含量,且两者具有协同增效作用。

图3. 花生四烯酸聚合物胶束可诱发耐药细胞内GSH衰竭和GPX4活性抑制。

图4. 花生四烯酸聚合物胶束诱发耐药细胞内脂质过氧化物累积。

  研究人员不仅检测了游离药物及Micelles/RSL3对耐药肿瘤细胞的增殖抑制能力,还以CD133+ALDHhigh为指标评判了新型胶束递送系统对耐药PCCs的清除能力。基于PCCs的肿瘤干细胞样特性,软胶克隆形成实验证实了铁死亡机制能够有效抑制耐药肿瘤细胞的自我复制能力 (图5)。

图5. 花生四烯酸聚合物胶束可有效抑制耐药肿瘤细胞增殖。

  最后,研究人员构建了耐药卵巢癌裸鼠模型,系统考察了Micelles/RSL3胶束递送系统通过诱发铁死亡进而逆转耐药的潜能 (图6)。结果显示,Micelles/RSL3相比于对照组可有效抑制阿霉素耐药的肿瘤生长。通过生存率实验以及对铁死亡标记物和耐药细胞生物标记物的定量分析,进一步验证了铁死亡可通过调控肿瘤细胞内氧化还原平衡清除PCCs。该工作将GPX4抑制、GSH衰减及脂质过氧化三者协同的铁死亡诱发与高分子胶束在肿瘤微环境的应答解组装与相集成,为耐药肿瘤的治疗提供了一种新平台和新方法。

图 6.  花生四烯酸聚合物胶束的体内抗肿瘤效果评价。

  上述成果发表在Biomaterials期刊上,论文题目为“Triggered ferroptotic polymer micelles for reversing multidrug resistance to chemotherapy”。论文的第一作者为天津大学药学院博士生高敏,目前在美国希望之城医疗中心进行联合培养,共同第一作者为天津大学药学院硕士生邓箭,通讯作者为赵燕军教授。该工作得到了天津大学王征教授、樊爱萍教授、武慧渊教授,南开大学孔德领教授、丁丹教授,以及以色列特拉维夫大学的Dan Peer教授的大力支持与帮助。

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121930585X

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