复旦大学王建新:一石四鸟—基于人参皂苷的新型多功能肿瘤靶向治疗脂质体

One stone four birds— A novel liposomal delivery system multi-functionalized with ginsenoside Rh2 for tumor targeting therapy
Chao Hong, Jianming Liang, Jiaxuan Xia, Ying Zhu, Yizhen Guo, Anni Wang, Chunyi Lu, Hongwei Ren, Chen Chen, Shiyi Li, Dan Wang, Huaxing Zhan, Jianxin Wang*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:129
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00472-8
本文亮点

1. 巧妙利用中药活性成分人参皂苷的多功能性,药辅两用,一石四鸟,不仅可以发挥其自身抗肿瘤和免疫调节作用,而且代替胆固醇和聚乙二醇作为脂质体关键膜材,与葡萄糖转运体结合提高肿瘤靶向性,从而赋予脂质体高稳定性、长循环、主动靶向和免疫调节等多种功能,同时大大简化了制备工艺,具有良好的产业化前景。

2. 将人参皂苷Rh2和化疗药物紫杉醇高效共递送至肿瘤部位,人参皂苷通过改善肿瘤抑制免疫微环境,消除肿瘤细胞生长的“土壤”,同时对化疗药物起到增敏作用,增加其对肿瘤细胞的穿透性和杀伤作用。研究结果为中西抗肿瘤药物的靶向递送和发挥协同作用提供了新的机制和策略。

内容简介

在肿瘤治疗领域,尽管传统脂质体作为药物递送系统已经取得一定进展,但受困于肿瘤微环境的复杂性,抗癌药物仍旧无法实现在肿瘤部位的有效蓄积。同时,作为脂质体构建材料的胆固醇和聚乙二醇(PEG)被认为是把双刃剑,其应用始终存在无法克服的缺陷。因此,本研究设计开发了一种基于人参皂苷Rh2的多功能脂质体系统(Rh2-lipo),可以有效解决上述传统脂质体所面临的挑战。复旦大学药学院王建新教授团队基于人参皂苷与胆固醇结构的相似性,即其糖苷配基具有与胆固醇类似的类固醇结构,推想并证明了人参皂苷具有改善磷脂双分子层物理化学性质的作用,具有代替胆固醇成为脂质体膜材的潜力。此外,人参皂苷已被证实为葡萄糖相关转运蛋白的底物,而该类蛋白在大部分类型的肿瘤细胞中均高表达,因此人参皂苷能够通过与葡萄糖转运蛋白的相互作用,协助脂质体在肿瘤部位蓄积。同时,人参皂苷具有显著地抗肿瘤活性,并且常与一线抗癌药物联合使用起到减毒增效的作用。其中,以人参皂苷Rh2最为典型,越来越多的证据表明Rh2是一款具有巨大潜能的抗肿瘤药物。
因此,本研究基于人参皂苷Rh2独特的物理化学性质和抗癌活性,利用其药辅两用的双重作用,设计了一种以Rh2作为脂质体膜材的新型纳米载体,以克服目前脂质体在临床应用中所面临的主要问题。一方面人参皂苷Rh2取代胆固醇作为膜材,保持和改善脂质体结构的稳定性,并成功解决临床上因胆固醇诱导“补体介导的过敏反应”,导致患者肺动脉高压等心肺副作用的问题;同时, Rh2作为膜材可赋予脂质体多功能性,包括长循环功能和肿瘤靶向作用,从而增强脂质体靶向递送效率,并且因制备时无需再添加PEG和靶向配体,极大简化了脂质体的制备工艺过程;另一方面Rh2作为药物,可发挥其多机制多靶点的抗肿瘤活性,逆转肿瘤微环境的免疫缺陷状态,并辅助化疗药物增效减毒,实现协同抗肿瘤作用。
图文导读

人参皂苷Rh2作为膜材-增强脂质体稳定性

本文首先采用自旋标记和顺磁共振技术从理论上证明了人参皂苷Rh2代替胆固醇作为脂质体膜材的潜力,即Rh2不仅具有调节磷脂分子有序排列的作用,增加脂质体的稳定性,还能够明显增强脂质体膜的疏水性从而有效抵御外部环境变化。 接着,通过薄膜水化法制备了Rh2-lipo,并对其进行表征,其基本特征与稳定性和传统胆固醇脂质体(C-lipo)相似。选取紫杉醇(PTX)为模型药物,对Rh2-lipo的载药效率进行考察,结果显示Rh2-lipo与C-lipo对于模型药物PTX具有相似的包封率和载药量,并且药物泄漏试验表明Rh2-lipo能够更好的阻止药物从脂质体中泄漏,Rh2-lipo具有更高的载药稳定性(图1)。

图1. (a,b)胆固醇和Rh2与磷脂作用的顺磁共振谱图,(c)Rh2-lipo的粒径稳定性(d)SEM图,(e)载PTX的Rh2-lipo的粒径稳定性,(f)药物从Rh2-lipo中的泄漏曲线图。

II 人参皂苷Rh2作为膜材-增加脂质体长循环效果

随后,对Rh2-lipo的功能性进行考察发现Rh2-lipo的体内消除速率明显慢于C-lipo,其半衰期t1/2γ甚至与PEG化的脂质体相当,说明Rh2-lipo具有良好的长循环作用。进一步利用SDS-PAGE和LC-MS/MS技术分析Rh2-lipo表面吸附蛋白冠成分,发现其长循环作用源于Rh2-lipo可以有效减少脂质体表面调理素蛋白的吸附,并且增加反调理素蛋白的吸附(图2)。

图2. (a)载DID的Rh2-lipo的药动学曲线图,(b)Rh2-lipo表面蛋白冠的SDS-PAGE图,(c)蛋白冠成分分类图,(d)最丰富蛋白冠成分热图。

III 人参皂苷Rh2作为膜材-增强脂质体的肿瘤主动靶向作用

细胞摄取试验揭示Rh2-lipo与肿瘤细胞葡萄糖转运体之间存在相互作用,Rh2可作为靶头实现脂质体的主动靶向作用;因此,基于Rh2-lipo的长循环作用和主动靶向作用,在建立的小鼠乳腺癌肿瘤模型中,Rh2-lipo比C-lipo具有更出色的体内肿瘤靶向性(图3)。

图3. (a)小动物活体成像图谱,(b,c)Rh2-lipo在肿瘤部位的蓄积,(d)Rh2-lipo的组织分布图,(d,f)Rh2-lipo的细胞摄取。

IV 载PTX的Rh2-lipo的体内/外抗肿瘤效果

基于Rh2-lipo的多功能性,以PTX作为模型药物,考察PTX-Rh2-lipo的实际抗肿瘤药效。首先,体外MTT结果表明PTX-Rh2-lipo的IC50值显著低于PTX-C-lipo和游离PTX;细胞凋亡试验进一步验证了这一效果,PTX-Rh2-lipo具有最佳促肿瘤细胞凋亡作用。进一步建立小鼠原位乳腺癌模型考察PTX-Rh2-lipo的体内抗肿瘤效果,结果显示PTX-Rh2-lipo表现出非常出色的抗肿瘤活性,其抗肿瘤效果远超市售PTX脂质体制剂力扑素®,同时Rh2与PTX联用还体现增效减毒的作用(图4,图5a,b)。

图4. (a,b)PTX-Rh2-lipo的MTT图,(c,d)PTX-Rh2-lipo的细胞凋亡。

V Rh2-lipo改善肿瘤微环境结构并逆转肿瘤免疫缺陷状态

针对PTX-Rh2-lipo极佳的抗肿瘤效果,对其抗肿瘤机制进一步分析发现:首先Rh2-lipo能够改善肿瘤微环境结构,有效降低肿瘤血管密度,使血管分布正常化,降低肿瘤相关成纤维细胞和胶原细胞的表达,拆除它们对肿瘤细胞的保护作用,从而增强药物在肿瘤中的渗透性(图5)。
另一方面,Rh2-lipo能够有效改变肿瘤免疫缺陷的微环境,其通过降低Treg、MDSC等免疫抑制细胞的蓄积,引导肿瘤微环境中M2型TAM向M1型TAM转化,达到提升CD8+T细胞浸润量的效果,起到免疫治疗与化疗协同抗肿瘤的作用(图6)。

图5. (a)PTX-Rh2-lipo抑制肿瘤生长曲线图,(b)动物体重变化曲线图,(c)肿瘤血管、成纤维细胞、胶原表达和分布图。

图6. 肿瘤微环境中(a)CD4+、CD8+T细胞表达,(b)MDSC细胞表达,(c)Treg细胞表达,(d,e)TAM-M1、M2细胞表达,(f,g)IL6、IL10表达。

作者简介

洪超

本文第一作者

复旦大学药学院 博士

主要研究领域

基于疾病特征的靶向递药系统的研究;新型生物制剂的开发。

主要研究成果

近年来共发表高水平SCI论文17篇,其中以第一作者发表7篇,总被引245次。获得授权多项中国及国际发明专利。现为美国俄亥俄州立大学博士后研究员,致力于针对肿瘤、罕见病以及新型冠状病毒的药物开发与应用。

王建新

本文通讯作者

复旦大学药学院 教授

主要研究领域

基于疾病特征的靶向给药系统研究;口服给药系统及其机制研究;药物新制剂新剂型研究开发。

主要研究成果

在国内外学术期刊发表论文170余篇,包括Science Advances,ACS nano,Nano Letters,Biomaterials,Journal of Controlled Release等权威期刊。先后主持国家及省部级研究课题30项,作为科研骨干参加“国家重大科学研究计划”和“重大新药创制”计划项目各2项;主编教材专著3本,副主编4本;作为项目负责人完成新药开发项目30余项,获新药证书或临床批件12项;获授权发明专利14项。

Email: jxwang@shmu.edu.cn
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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