Nat. Nanotechnol.: GSH介導的生物轉化調節納米粒子的體內轉運

大兵哥 4年前 (2019-07-25) 4880瀏覽

【研究背景】

谷胱甘肽介導的肝內生物轉化是眾所周知的解毒過程。對于工程納米顆粒，肝內單核吞噬細胞系統（MPS）可以縮短其血液滯留時間，誘導長期納米毒性，阻止疾病靶向，降低臨床轉化潛力。對于小型外源性物質，肝臟解毒作用主要依賴谷胱甘肽（GSH）介導的生物轉化。GSH在肝臟內含量較高（~10 mM），它的親核半胱氨酸殘基對親電代謝物或重金屬具有高度反應性，可以降低它們的毒性，增加它們的親水性，并通過肝膽途徑或腎臟系統清除。然而，GSH介導的生物轉化如何影響納米粒子的血液滯留、疾病靶向和體內清除仍然是未知的，即使這一生理過程不斷在體內發生。與MPS介導的工程納米粒子解毒相比，人們對GSH介導的解毒過程知之甚少，主要因為：（1）MPS與GSH介導的肝臟解毒作用常常難以區別，使得很難準確定位GSH介導的生物轉化在納米顆粒轉運中的作用；（2）缺乏用于肝臟中GSH介導的生物轉化的實時非侵入性監測的成像技術；（3）在體內生物轉化后回收工程納米粒子進行詳細的化學分析非常具有挑戰。

【成果簡介】

近期，德克薩斯大學達拉斯分校鄭杰教授和蔣興埡博士（第一作者）通過設計可與血清蛋白結合并轉運至肝臟的硫醇可激活的熒光金納米探針ICG₄-GS-Au25（ICG，吲哚菁綠；GS-Au25，GSH包被的Au25納米團簇），以高特異性非侵入性地在體內成像生物轉化動力學，并在化學水平上檢測了這一過程。研究結果表明，肝細胞的GSH外排導致肝竇中GSH和半胱氨酸（Cys）的局部升高，這改變了納米顆粒表面的化學性質，降低了其對血清蛋白的親和力，并顯著改變了其血液滯留、靶向性和清除性。通過這種生物轉化，肝臟的解毒作用，這個長期以來被認為是納米藥物轉化的阻礙，可以成為提高納米藥物的靶向和降低納米毒性的橋梁。該成果近日以題為“Glutathione-mediated biotransformation in the liver modulates nanoparticle transport”發表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖一：ICG₄-GS-Au25與肝竇內GSH外排的相互作用

（a）肝細胞GSH外排到肝竇。
（b）ICG₄-GS-Au25在肝內的作用過程及檢測機理。

圖二：ICG-GS-Au25納米探針的表征

（a）巰基可活化的ICG-GS-Au25納米探針的示意圖：當ICG與Au25上的GSH連接時，ICG的熒光由于光誘導的電子轉移而嚴重猝滅，一旦ICG-GS配體被生物硫醇分子置換并從Au25表面分離，電子轉移過程就被破壞，同時恢復ICG的NIR熒光。
（b）含不同數目ICG [0.9 (1), 1.8 (2), 2.6 (3), 4.1 (4)]的GS-Au25和單獨ICG的吸收曲線。
（c）相同ICG濃度下，對應（b）中材料的的熒光譜圖。
（d）溶解在PBS中的材料1-5的彩色圖像（上圖），相應的體內成像ICG熒光信號（中間），底部為相同量的材料1-5的熒光信號溶解在含有10mM GSH的PBS中（pH調節至7.4）。
（e）GS-Au25和GS-Au25 ICG材料的血清蛋白結合百分比。
（f）將ICG₄-GS-Au25在PBS或50％FBS中與不同濃度的GSH（pH調節至7.4）在37℃ 孵育10分鐘后ICG熒光恢復的百分比。

圖三：肝細胞GSH釋放對ICG₄-GS-Au25體內行為的影響

（a）BALB/c小鼠靜脈注射GS-Au25和ICG₄-GS-Au25 (n=3)的腎臟清除動力學。
（b）(i)靜脈注射GS-Au25和ICG₄-GS-Au25（n=3）的藥代動力學；(ii) GS-Au25和ICG4-GS-Au25（n=3）藥代動力學測量得到的藥代動力學曲線下面積(AUC)和清除參數。
（c）靜脈注射ICG₄-GS-Au25（n=3）后24小時，尿液和糞便中的ICG和Au清除率。
（d）靜脈注射ICG₄-GS-Au25的PBS處理（對照組）和DEM處理小鼠的時間序列無創熒光成像。
（e）在靜脈內注射相同的ICG₄-GS-Au25后的前5分鐘，PBS處理小鼠和DEM處理小鼠（n=3）的肝內ICG熒光動力學。
（f）靜脈注射ICG₄-GS-Au25后PBS處理小鼠和DEM處理小鼠（n=3）中每個循環Au25的ICG分子平均數。
（g）在靜脈內注射相同的ICG₄-GS-Au25后，PBS處理和DEM處理小鼠（n=3）的前2小時Au藥代動力學。
（h）靜脈注射ICG₄-GS-Au25后10分鐘和24小時正常小鼠肝組織切片的熒光成像。
（i）從靜脈注射ICG₄-GS-Au25的PBS處理小鼠和DEM處理（n=3）小鼠尿液中排泄的Au納米團簇的吸收曲線。

圖四：體內生物轉化后Au25表面化學分析

（a）用于分析生物轉化后Au25表面配體的兩相配體交換法的示意圖。
（b）HPLC結果表明Au25的表面配體在注射ICG4-GS-Au25的小鼠的尿液中排泄（n=3）。
（c）（i）GS-Au25表面配體(Au25(SG)18)體外37℃培養10 min，體內循環10 min，雙腎動脈暫時夾住，以防止GS-Au25腎臟快速清除，體外培養10 min后的HPLC結果；（ii）體外孵育或體內循環10 min后每個Au25表面上的Cys配體的平均數目（n=3）。
（d）靜脈注射ICG₄-GS-Au25后10 min正常小鼠H＆E染色的腎組織的熒光成像。

圖五：ICG4-GS-Au25的腫瘤靶向研究

（a）以Au（i）和ICG（ii）對比注射24小時的ICG₄-GS-Au25與GS-Au25和游離ICG對MCF-7細胞的靶向效率（n=3）。
（b）靜脈注射游離ICG和ICG₄-GS-Au25（n=3）的小鼠血液中ICG藥代動力學的對比。
（c）靜脈注射ICG₄-GS-Au25或等量的游離ICG后，在不同時間點 MCF-7荷瘤小鼠的熒光圖像。
（d）靜脈注射ICG₄-GS-Au25和游離ICG（n=3）后，時間依賴性小鼠腫瘤對比指數。
（e）ICG₄-GS-Au25和游離ICG（n=3）的時間依賴性腫瘤熒光強度。
（f）左：在靜脈內注射ICG₄-GS-Au25后15 min，將小鼠安樂死并用PBS徹底灌注以除去血管中的ICG-Au25結合物，然后切除腫瘤并瘤內注射GSH（10 mM, pH7.4）以誘導ICG-Au25在腫瘤微環境中解離。
右：在注射GSH之前和之后的腫瘤ICG熒光強度（n=3）。
（g）靜脈注射ICG₄-GS-Au25后24小時H＆E染色腫瘤組織的熒光成像。

圖六：肝內GSH介導的生物轉化影響ICG4-GS-Au25的體內轉運

靜脈內給藥后，ICG₄-GS-Au25納米團簇立即與血清蛋白結合。血清蛋白結合的ICG₄-GS-Au25的整體尺寸大于腎臟過濾閾值，因此可以防止快速腎臟消除，并部分轉運到肝竇。由于肝竇處局部高濃度的GSH和半胱氨酸使部分或全部的ICG-GS從Au25表面置換脫離，降低了ICG₄-GS-Au25的蛋白結合親和力。被置換的ICG-GS被肝細胞攝取并通過肝膽途徑清除，而生物轉化的ICG-GS-Au25納米團簇被轉運回血液循環并通過EPR效應靶向腫瘤組織。當生物轉化的ICG-GS-Au25納米團簇循環到腎臟時，對血清蛋白具有低親和力的納米顆粒通過腎小球過濾并在腎近端小管中進行額外的表面修飾，其中Au25納米團簇上剩余的ICG-GS被半胱氨酰甘氨酸進一步取代，近端小管中GSH的細胞外代謝產物。對于仍然與血清蛋白結合的生物轉化的ICG-GS-Au25，它們保留在血流中并繼續靶向腫瘤。在腫瘤中，ICG₄-GS-Au25及其生物轉化的衍生物進入腫瘤微環境并被腫瘤細胞攝取。高濃度的胞內GSH誘導ICG-GS從細胞內的Au25解離并持續發光。

【總結展望】

作為眾所周知的解毒過程，肝臟內GSH介導的生物轉化，可用于調節納米顆粒的體內運輸，以提高納米粒子的疾病靶向同時減少在健康組織中的非特異性積累，降低“脫靶”納米粒子的危害。此外，這種對納米粒子的化學水平和體內轉運的納米生物相互作用的基本理解將進一步推進納米生理學和毒理學，為納米藥物的臨床轉化開辟了更多的機會。

文獻鏈接：Glutathione-mediated biotransformation in the liver modulates nanoparticle transport (Nature Nanotechnology, 2019, DOI: 10.1038/s41565-019-0499-6)

研究團隊簡介

鄭杰博士，德克薩斯大學達拉斯分校化學與生物化學系終身教授，德克薩斯大學西南醫學中心泌尿科兼職教授。主要研究方向為納米生物醫學，納米材料與生物體的相互作用和生物成像等。迄今已在Nature nanotechnology，Nature reviews materials， JACS， Angew Chem Int Ed，ACS Nano等高水平期刊作為通訊作者發表論文40余篇。