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我校構建智能響應型“分子狀態轉換”納米顆粒

核心提示: 近日,我校韓鶴友教授課題組從卟啉類光敏劑的分子狀態入手,構建了能響應腫瘤凋亡的“分子狀態”轉換顆粒,對腫瘤藥物研發及動態觀察腫瘤治療程具有重要參考意義。

南湖新聞網訊(通訊員 張金)研究表明,藥物分子的活性和利用度與其在溶液中的分子狀態息息相關。卟啉類藥物具有的大π共軛結構分子在溶液中處於分散狀態時,具有良好的光動力治療活性;而在聚集狀態時,其光動力治療性質丟失轉而產生高的光熱效應,實現腫瘤的光熱治療。近年來,由於聯合不同的治療方式會造成協同治療也受到人們了廣泛關注,因此,充分智能化利用藥物分子在溶液中狀態的改變,實現腫瘤多種治療方式的聯合,達到“1 + 1 > 2”的超加效應,為腫瘤的精準治療提供新策略。

PDP用於腫瘤協同治療的示意圖

圖 1. PDP用於腫瘤協同治療的示意圖

(A) PDP的化學結構式及其響應Caspase-3聚集的示意圖;(B) 分散良好的PDP進入腫瘤細胞後具有良好的光活性,能通過光動力治療誘導腫瘤細胞死亡;隨後,死亡的腫瘤細胞能使PDP由分散狀態變為聚集狀態,使其能用於光熱治療和光聲成像腫瘤凋亡。

我校韓鶴友教授課題組從卟啉類光敏劑(PPa)的分子狀態入手,構建了一個能響應腫瘤凋亡的“分子狀態”轉換顆粒(PDP)。該顆粒中的卟啉光敏劑在正常生理條件下為分散性良好的納米顆粒(圖1A),具有高的光動力治療效果,能有效用於腫瘤的光動力治療。隨後,當光動力治療誘導細胞凋亡後,凋亡細胞的產生caspase-3酶能快速切裂PDP的親水片段,誘導分散狀態的PPa轉為聚集狀態PPa,產生高的光熱效率,有利於腫瘤的光熱治療(圖1B)。同時,這種變化還能產生高的光聲信號,也為光聲評估腫瘤凋亡提供了可能。這種新型分子狀態轉換納米顆粒的構建大大減少繁瑣的合成步驟,為高效的腫瘤治療和評估提供了思路。

體外實驗中,通過紅外圖譜(圖2A),在不同的pH下,PDP側鏈上的羧酸根會逐漸質子化。HPLC揭示在PDP在caspase-3條件下能被有效裂解(圖2B)。圖2D的臨界膠束濃度測試也證實PDP的質子化和caspase-3的裂解會增強PDP的疏水性。電子透射成像(圖2E)表明PDP的疏水性變化的確會導致其分子狀態改變,在pH 7.4的時候是直徑約為10 nm左右的納米顆粒,在pH 6.5時為更大尺寸的納米顆粒,而在caspase-3下出現了明顯的聚集。熒光、紫外及ROS生成表徵(圖2F,G和H)進一步表明在pH 7.4和6.5時,該PDP中光敏劑分子是處於單體狀態的(其Qy帶在667 nm處並具有高的熒光活性和ROS生成能力),而在caspase-3條件下,PPa的分子狀態表現為顯著聚集特徵(其Qy帶在683 nm處並具有低的熒光活性和ROS生成能力),證實了該納米顆粒能響應腫瘤凋亡酶caspase-3,實現光敏劑PPa分子狀態的變化(圖2)。

PDP響應性聚集行為調查

圖 2. PDP響應性聚集行為調查

(A) PDP 在不同 pH 值下的 紅外光譜。(B) PDP(黑色)、caspase-3處理的PDP(紅色)和遊離的Pha(藍色)的 HPLC 圖譜。(C)分子聚集機制的示意圖。(D)不同pH值下PDP 的臨界聚集濃度評估。在 pH 7.5、pH 6.5 和 caspase-3 條件下的(E)TEM 圖像,(F)UV-Vis 吸收光譜,(G)熒光光譜及ROS 生成。為了進一步説明酸度對 PDP 的影響,使用較低 pH (5.0) 的 PDP 作為陽性對照組。(E)中的插圖是在高濃度PDP和長孵育時間條件下的溶液光學照片。 (G) 中的插圖是 PDP 溶液的熒光成像。

PDP在體內協同抗擊腫瘤的實驗結果表明,相比於對照組小鼠和單次治療的小鼠,經過聯合治療小鼠的腫瘤幾乎被完全抑制住了(圖3B和C),且具有更高的存活率(圖3D)。圖3E的H&E和TUNEL染色結果也表明經聯合光療的小鼠腫瘤組織中也具有更高的細胞損傷狀況。同時,通過生化分析評估材料對小鼠的毒副作用實驗,結果表明各組小鼠的心、腎和肝功能等指標和空白組相當(圖3F),進一步證實了該分子狀態轉變納米顆粒具有很好的活體治療的安全性。

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圖3

圖 3. (A) 協同光療及光聲評估腫瘤凋亡的工作流程圖。(B)不同處理組的腫瘤生長隨時間變化的曲線。(C)治療結束後的平均腫瘤重量。插圖為治療後從不同組收集的腫瘤照片。(D) 不同組小鼠的存活曲線。(E) 治療結束時不同組腫瘤切片的 H&E 染色和 TUNEL 分析。比例尺為 50 μm。(F)治療後各種樣品血清的血液生化分析。

本研究更重要的意義在於聚集狀態的PPA具有更高的光熱效應,可將其用於現場光聲評估腫瘤的凋亡情況,圖4A和B的結果表明,在光動力治療後腫瘤的光聲信號;通過線掃分析表明該光聲信號主要集中在腫瘤表皮處(圖4C),證實了PDP能作為一個高效的光聲探針用於治療響應的評估。

光聲評估腫瘤凋亡情況

圖 4. 光聲評估腫瘤凋亡情況

(A)PBS、PDP 和 PDP + 光組中4T1荷瘤小鼠的光聲成像圖。右側為在光照10小時後腫瘤區域的3D圖像。白色圓圈代表腫瘤區域。 (B) 凋亡細胞分佈示意圖,右側為腫瘤區域光聲圖像的放大圖。 (C) 跨白色箭頭線的光聲強度剖面分析曲線。

相關成果對腫瘤藥物研發及動態觀察腫瘤治療程具有重要參考意義,並以“Sequential assembled chimeric peptide for precise synergistic phototherapy and photoacoustic imaging of tumor apoptosis”為題,在Chemical Engineering Journal上發表。我校博士生張金和碩士生木永利為該論文共同第一作者,韓鶴友教授為該論文的通訊作者。該研究得到了“國家自然科學基金”(21778020;31750110464和 31950410755)、“廣西科技重大專項”(Gui Ke AA18118046)等項目的資助。

審核人:韓鶴友

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Although considerable progress has been made in nanomedicine, it is still of great significance for nanomedicine machines with natural targeting, diverse functions, maximum drug utilization, and outstanding performance. In this work, a simple small molecule chimeric peptide with the capability of sequential two-step self-assembly was developed. This chimeric peptide could be self-assembled into larger nanoparticles from smaller nanoparticles at tumor extracellular acidic microenvironment and further aggregated in apoptotic tumor cells mediated by photodynamic therapy. In addition to the nanostructure changes, the increasing of size could accelerate cell internalization and tumor accumulation of chimeric peptide for better photodynamic therapy. And the aggregation in the apoptotic cell could enhance the photothermal effect and photoacoustic signal of chimeric peptide for further photothermal therapy and photoacoustic imaging of tumor apoptosis. Both in vitro and in vivo studies demonstrated that these self-assembly behaviors endowed chimeric peptide with well tumor accumulation, preferable tumor suppression, and precise therapeutic evaluation, which should provide a new way for the construction of efficient theranostic agent based on chimeric peptides.

論文鏈接//doi.org/10.1016/j.cej.2021.130775

責任編輯:蔣朝常 王景攀