东华大学史向阳教授课题组 Biomacromolecules：在两亲性含磷树冠大分子纳米胶束用于药物递送上取得新进展

2022-06-15 来源：高分子科技

优良的药物传递系统可以有效地克服抗癌药物与正常细胞的非特异性结合和水溶性差等问题。在众多的纳米药物递送系统中，脂质体、纳米凝胶、聚合物-药物缀合物、树状大分子、树冠大分子、胶束和无机纳米颗粒在纳米医学的发展中获得了广泛关注。其中，胶束因其独特的优势而备受青睐：1）药物负载能力强，可通过改善药物的药代动力学/药效学特征来提升治疗效果；2）体积小（< 30 nm），可有效穿透至肿瘤深部组织；3）可与特定配体（如适配体）结合实现主动性肿瘤靶向。胶束一般是由两亲性的小分子或聚合物组成。然而，基于两亲性小分子构建的胶束稳定性有限，而基于两亲性聚合物构建的胶束则存在分子量分布不均一的问题。因此，如何构建一类药物包封率高、结构稳定、生物相容性佳的给药系统对于肿瘤治疗具有特殊意义。

图 1. 两亲性含磷树冠大分子的合成示意图

前期工作中，他们发现阳离子型含磷树状大分子作为一种基因载体，具有很强的基因压缩和保护能力（Biomacromolecules 2020, 21, 2502-2511）。进一步地研究表明，具有刚性内核的核壳树状大分子比柔性核树状大分子具有更好的基因压缩能力和传递效率（J. Mater. Chem. B 2021, 9, 6149–6154）。然而，由于含磷树状大分子具有较强的刚性，其疏水腔不具有载药能力，从而限制了其作为药物载体的应用。基于含磷树冠大分子的研究基础（Theranostics 2022, 12, 3407-3419；Bioconjugate Chem. 2021, 32, 339-349），东华大学史向阳教授团队和法国国家科学研究中心Jean-Pierre Majoral教授团队合作设计构建了两亲性含磷树冠大分子纳米胶束，并深入系统地研究了其在药物递送及肿瘤治疗方面的应用。合作团队以环三聚磷腈为核，通过迭代法构建了以刚性元件-P=N-P=S为主体框架的第三代两亲性含磷树冠大分子（1-C17G3.HCl，图1）。1-C17G3.HCl结构中含有20个疏水性刚性树状分支，40个表面亲水基团和1个线性疏水烷基长链（C17H35）。其整体结构“刚柔相济”，具有双亲性，从而在水溶液中自组装形成纳米胶束。

图 2. 1-C17G3.HCl@DOX和free DOX的稳态荧光发射(A)和激发(B)光谱（DOX浓度为100 μM和1000 μM，激发波长=365 nm，发射波长=595 nm）；（C）负载DOX的纳米胶束1-C17G3.HCl@DOX 在不同pH条件下的药物释放动力学曲线。自由的DOX在pH = 7.4条件下的释放作为对照。NIH-3T3 （D）和MCF-7（E）细胞毒性测试结果；（F）流式细胞术检测不同相对DOX浓度条件下细胞对纳米胶束的吞噬量。

首先，研究团队以阿霉素（DOX）为代表性疏水性药物，研究了1-C17G3.HCl的药物负载效率、生物相容性及细胞吞噬效率等（图2）。实验结果显示，1-C17G3.HCl的药物包封率和上载率分别超过到96%和42%，并在给定浓度范围内均表现出良好的细胞相容性。此外，1-C17G3.HCl@DOX复合物的药物释放具有pH选择性且在酸性条件下释放速度较快。细胞吞噬方面，由于聚集的DOX引发荧光猝灭，导致在相同DOX条件下free DOX的荧光强度约为1-C17G3 HCl@DOX的2倍（图2A-B）。然而经相同DOX浓度处理的MCF-7细胞，free DOX组平均荧光强度仅比1-C17G3 HCl@DOX组高1.4倍。因此，可以看出1-C17G3.HCl@DOX实际上有更好的细胞吞噬倾向。

图 3. （A）细胞凋亡百分比的直方图；（B）PTEN、p53和Bax基因的相对表达量；（C）PTEN、p53和Bax的蛋白质印迹分析结果；（D-F）蛋白质印迹的定量分析直方图。

为了更进一步的探索1-C17G3.HCl在肿瘤治疗中的应用，研究团队以乳腺癌细胞MCF-7为研究对象探究了1-C17G3.HCl@DOX的治疗效果。流式细胞术结果显示，MCF-7细胞经1-C17G3.HCl@DOX处理后约66.67%的细胞处于凋亡状态。值得注意的是，1-C17G3.HCl胶束自身也能够有效诱导MCF-7细胞发生凋亡（图3A）。这说明1-C17G3.HCl不仅可以作为一种疏水性药物载体，也可作为一种潜在的肿瘤细胞凋亡诱导药物。与此同时，实时定量PCR及蛋白质印迹结果也表明，1-C17G3.HCl和1-C17G3.HCl@DOX组中凋亡相关的PTEN、p53和Bax基因和蛋白表达量有所升高（图3B-F）。这些数据均能够说明1-C17G3.HCl和1-C17G3.HCl@DOX能够有效地诱导癌细胞凋亡。

随后，研究团队更深入地研究了1-C17G3.HCl@DOX用于皮下移植瘤模型尾静脉给药治疗的可能性。研究发现，相较于生理盐水（Normal Saline，NS）组，1-C17G3.HCl治疗组裸鼠的肿瘤体积也得到了一定的抑制。而1-C17G3.HCl@DOX治疗组裸鼠的肿瘤体积得到了最大抑制，荷瘤鼠存活率最高。体内分子生物学实验结果显示，1-C17G3.HCl@DOX组肿瘤组织内部的PTEN、p53、Bax基因及蛋白表达水平均高于其它各组（p < 0.001），与体外基因传递数据一致（图3）。这些结果表明，制备的两亲性含磷树冠大分子（1-C17G3.HCl）有可能作为一种高效载体系统用于癌症药物治疗或其它疾病的药物治疗。

图 4. （A）肿瘤相对体积变化；（B）裸鼠相对体重变化；（C）裸鼠存活率变化；（D）肿瘤组织中PTEN、p53和Bax基因的相对表达量；（E）PTEN、p53和Bax的蛋白质印迹结果；（F）蛋白质印迹结果的分析直方图。

以上研究以“Engineered Stable Bioactive Per Se Amphiphilic Phosphorus Dendron Nanomicelles as a Highly Efficient Drug Delivery System To Take Down Breast Cancer In Vivo”为题，发表在美国化学会期刊Biomacromolecules上。东华大学/图卢兹第三大学联合培养博士研究生陈亮和东华大学硕士研究生曹流为共同第一作者，东华大学史向阳教授、法国国家科学研究中心Jean-Pierre Majoral教授和巴黎第五大学Serge Mignani教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和法国国家科学研究中心等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00197

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（责任编辑：xu）

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