順鉑是中心以二價鉑同兩個氯原子和兩個氨分子結(jié)合的重金屬絡合物,類似于雙功能烷化劑,可抑制DNA的復制過程。目前,順鉑和其他各種Pt(II)抗癌藥物被臨床上廣泛用于治療食道癌、惡性淋巴瘤等患者。但是,在長期使用后,會出現(xiàn)嚴重的耐藥性。主要存在以下幾種降低治療效果的途徑:

  • 1)血液中血清白蛋白等蛋白質(zhì)會使順鉑失活;
  • 2)順鉑分子不能被耐順鉑的癌細胞有效地吸收;
  • 3)細胞內(nèi)金屬硫蛋白(MT)和谷胱甘肽(GSH)等生物分子可以強烈結(jié)合和隔離順鉑;
  • 4)被順鉑破壞的癌細胞DNA可以被蛋白質(zhì)修復。

針對上述失效途徑,研究人員開發(fā)了以下策略:

  • (1)開發(fā)在癌細胞中釋放順鉑的Pt(IV)前藥,可以最大程度減少DNA結(jié)合前與生物分子發(fā)生的不良副反應;
  • (2)將順鉑與其他抗癌藥物(5-氟尿嘧啶等)聯(lián)合使用,利用不同藥物的不同抗癌機制來增強治療效果;
  • (3)使用納米載體靶向遞送順鉑,可以延長血液循環(huán)時間、更多在腫瘤組織處累積和按需釋藥。雖然上述策略有效阻止了順鉑的某些失活途徑,但是難以同時克服多個失活途徑。

近日,國家納米科學中心的梁興杰研究員中國科學技術大學的吳思教授(共同通訊作者)合作報道了一種具有雙響應性Pt(IV)/Ru(II)的雙功能聚合物(PolyPt/Ru),克服了順鉑的多個失活途徑。并且在患者源異種移植(PDX)小鼠模型中,作者測試了PolyPt/Ru治療耐順鉑腫瘤的效果(圖1)。PolyPt/Ru是一種具有疏水性Pt(IV)/Ru(II)雙金屬嵌段和兩個親水性聚乙二醇(PEG)嵌段的ABA型三嵌段聚合物。其中,疏水性嵌段中的Pt(IV)部分是在細胞內(nèi)還原環(huán)境中產(chǎn)生順鉑的前藥。將Ru(II)配合物摻入疏水嵌段中,因為Ru(II)配合物在光照射下可以產(chǎn)生單線態(tài)氧(1O2),并發(fā)生配體取代。但是,Ru(II)配合物通常對無光照的組織無毒,而在光活化后會對癌細胞產(chǎn)生毒性,進而提高對癌癥治療的選擇性。因此,PolyPt/Ru中的Ru(II)部分可產(chǎn)生1O2用于光動力療法(PDT),并釋放抗癌Ru(II)配合物以用于光激活化學療法(PACT)。

此外,作者使用了親水性和生物相容性的PEG嵌段,以延長血液循環(huán)時間并抑制使金屬藥物失活的蛋白質(zhì)的非特異性吸附。將PolyPt/Ru自組裝形成納米顆粒,在腫瘤部位聚集,被耐順鉑細胞吸收,并在胞內(nèi)還原性微環(huán)境中釋放順鉑。在紅光照射下,PolyPt/Ru產(chǎn)生1O2,并引起Ru(II)部分降解,以釋放抗癌Ru(II)配合物,因而釋放的順鉑和Ru(II)配合物以及產(chǎn)生的1O2協(xié)同殺死耐順鉑的腫瘤。因此,PolyPt/Ru不僅克服多個失活途徑,而且其光活化僅發(fā)生在受輻照的腫瘤組織上,進一步提高了癌癥治療的選擇性。研究成果以題為“Fighting against Drug-Resistant Tumors using a Dual-Responsive Pt(IV)/Ru(II) Bimetallic Polymer”發(fā)表在Adv. Mater.上。

梁興杰/吳思《AM》:耐藥腫瘤不可怕!雙響應Pt(IV)/Ru(II)雙金屬聚合物殺死耐順鉑腫瘤

圖1、PolyPt/Ru的合成和作用示意圖

PolyPt/Ru的表征

作者制備了水溶性PolyPt/Ru納米顆粒。透射電子顯微鏡(TEM)和動態(tài)光散射(DLS)表明,PolyPt/Ru的平均直徑為90 nm,平均流體動力學直徑為111 nm。在紅光照射后,出現(xiàn)了直徑為56和269 nm的光產(chǎn)物,表明PolyPt/Ru降解為較小尺寸的片段和一些較大尺寸的光產(chǎn)物疏水聚集體。在GSH處理后,出現(xiàn)類似的DLS信號。但在光和GSH的組合處理后,較小的碎片消失,并形成較大的聚集體。此外,作者利用195Pt NMR波譜分析了[Pt(NH3)2Cl2(AAE)2](TFA)2的還原反應機制。[Pt(NH3)2Cl2(AAE)2](TFA)2的化學位移位于1067.1 ppm,順鉑和還原產(chǎn)物的化學位移均為1194.7 ppm,說明還原產(chǎn)物為順鉑。195Pt NMR結(jié)果顯示,通過GSH處理[Pt(NH3)2Cl2(AAE)2](TFA)2后也產(chǎn)生順鉑。

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圖2、PolyPt/Ru的理化表征

體外實驗

接著,作者研究了耐順鉑癌細胞對PolyPt/Ru納米顆粒的攝取。在黑暗中,將耐藥A549-DDP和7404-CP20細胞與PolyPt/Ru納米顆粒孵育6 h。在孵育6 h后,A549-DDP和7404-CP20細胞的攝取率分別為76.4%和54.4%,說明PolyPt/Ru被細胞有效吸收。在黑暗中,細胞存活率隨PolyPt/Ru濃度的增加而降低。當Ru(II)和Pt(IV)濃度分別為128和40 g/mL時,A549-DDP和7404-CP20細胞的存活率分別降到31%和42%。此外,光照射進一步降低了癌細胞的存活率。利用綠色熒光探針檢測A549-DDP和7404-CP20細胞,在PolyPt/Ru和探針沒有被紅光照射時,未觀察到綠色熒光。但是,當PolyPt/Ru和探針被紅光照射時,觀察到綠色熒光。

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圖3、PolyPt/Ru的細胞實驗

體內(nèi)實驗

作者從尾靜脈向帶有PDX腫瘤小鼠注射了PolyPt/Ru納米顆粒。在小鼠模型中,在4 h僅有微弱的信號,在12 h時腫瘤部位的熒光達到最大值,表明PolyPt/Ru有效地聚集在腫瘤部位。但是,注射鹽水的對照小鼠沒有熒光。在PolyPt/Ru靜脈注射到小鼠模型中12 h后,作者用671 nm激光照射腫瘤20 min(PolyPt/Ru+光照組)。同時存在給PDX荷瘤小鼠注射生理鹽水(對照組)、用光照射PDX荷瘤小鼠(光照組)、給PDX腫瘤小鼠注射等劑量的順鉑(順鉑組)和給PDX腫瘤小鼠注射PolyPt/Ru(PolyPt/Ru組)四組實驗。只有PolyPt/Ru+光照組的腫瘤生長受到明顯抑制,表明該治療的協(xié)同作用改善了抗癌性能。在離體腫瘤稱量時,PolyPt/Ru+光照組的平均腫瘤重量明顯輕于其它四組。

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圖3、PolyPt/Ru的小鼠體內(nèi)實驗

總之,作者合成的雙響應性雙金屬聚合物(PolyPt/Ru),同時克服了順鉑的多個失活途徑。PolyPt/Ru在耐順鉑腫瘤中表現(xiàn)出優(yōu)異的抑制能力。該研究表明,設計具有多響應性的多金屬聚合物是治療耐藥性腫瘤的一種新策略。此外,文中的設計原理為設計其它的多金屬聚合物提供了基礎。

文章鏈接:

https://doi.org/10.1002/adma.202004766

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