Adv. Mater.報道: X射線響應性核堿基配對相互作用穩定的仿生納米膠囊用于脈沖藥物遞送

【背景介紹】

眾所周知，細胞器通過雙層磷脂選擇性的交換生物分子和細胞間通訊。因此，已制備出具有選擇性膜滲透能力的各種人工自組裝納米結構作為藥物遞送系統，以響應特定刺激、加速藥物釋放。然而這些納米結構響應于刺激且不可逆的解離，因此不能控制藥物的釋放。同時不同的腫瘤細胞對這些藥物遞送系統的反應不同，將導致靶向位點效率降低，從而降低治療效率。因此，設計納米結構使使藥物在細胞膜上可控釋放，同時保持高的穩定性，以實現藥物特異性靶向遞送和精確的抗癌療法。偶氮苯是一類光致結構可變化的化合物，可用于藥物納米載體、光學/電子開關、磁記憶和太陽能儲存等。然而，雖然光控藥物遞送系統是非侵入性的并且具有高局部靶向能力，但是其需要高能UV刺激，從而嚴重限制了它們的體內應用。此外，偶氮苯的光致變色異構化伴隨著微結構重排和不可逆的納米膠囊破壞。盡管化學交聯可以改善結構穩定性，但是這限制了親水性和疏水性物質的滲透性。因此，需要開發出允許有效載荷可控擴散同時保持完整的結構。

【成果簡介】

近日，福州大學的宋繼彬教授、美國國立衛生研究院的陳小元研究員（共同通訊作者）聯合報道了利用核堿基配對交聯聚胸腺嘧啶和光異構化的聚偶氮苯（PETAzo）與腺嘌呤修飾的ZnS（ZnS-A）納米顆粒（NPs）設計的仿生納米膠囊。ZnS-A NPs將X射線轉換成紫外線輻射，使偶氮苯基團異構化，從而實現對雙層膜上可控擴散。此外，PETAzo和ZnS-A之間的核堿基配對相互作用使其在體內循環期間延長且可以防止藥物泄漏，不僅增強藥物在腫瘤處的累積而且還保持穩定性。這些納米膠囊具有長的保留時間、可遠程控制藥物釋放、強的靶向積累和有效的抗腫瘤效果的優點，所以它們具有很大潛力作為一種新型的抗癌藥物遞送系統。研究成果以題為“X-ray-Controlled Bilayer Permeability of Bionic Nanocapsules Stabilized by Nucleobase Pairing Interactions for Pulsatile Drug Delivery”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。第一作者為鄧宏章博士。

【圖文解讀】

圖一、PEG-b-聚胸腺嘧啶-b-聚偶氮苯（PETAzo）三嵌段聚合物自組裝成納米膠囊的示意圖

圖二、核堿基配對納米膠囊的制備和表征
（a-c）ZnS-A納米顆粒（a）、PETAzo納米膠囊（b）和PETAzo^@ZnS-A納米膠囊（c）的TEM圖像；

（d）ZnS NPs、PETAzo和PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的流體動力學尺寸分布直方圖；

（e）PETAzo^@ZnS-A納米膠囊殼的高分辨率TEM圖像；

（f）PETAzo^@ZnS-A的選區電子衍射（SAED）；

（g-h）Zn（g）和S（h）的元素映射；

（i）PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的STEM電子能量損失光譜線掃描圖；

（j）孵育30天前后，PETAzo^@ZnS-A的尺寸變化。

圖三、PETAzo^@ZnS-A納米膠囊在X射線輻照過程中的表征
（a）在X射線照射（6 Gy）前后，納米膠囊的UV-可見光譜；

（b）通過ZnS納米顆粒將X射線轉移到UV光的示意圖；

（c）在用X射線和可見光切換照射幾個循環后PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的尺寸變化；

（d）在交替存在X射線輻射和可見光的情況下，來自PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的DOX的累積釋放特征；

（e）FRET效應的示意圖；

（f）PETAzo^@ZnS-A納米膠囊在用X射線照射后4 h的熒光光譜。

圖四、利用CLSM觀察不同制劑處理的U87MG細胞
（a）游離DOX和負載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的細胞內吞；

（b）CLSM對共培養系統的三維可視化；

（c）在孵育4 h后，用負載DiO和DiI的PETAzo納米膠囊孵育的U87MG細胞的代表性CLSM圖像；

（d）U87MG細胞中熒光強度的線掃描譜。

圖五、PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的體外細胞毒性評價
（a）通過Annexin V-FITC/7-ADD用PBS、X射線（6 Gy）、游離DOX、PETAzo^@ZnS-A納米膠囊和PETAzo^@ZnS-A納米膠囊與X射線處理的U87MG細胞的流式細胞實驗；

（b）與游離DOX、PETAzo^@ZnS-A納米膠囊和PETAzo^@ZnS-A納米膠囊以及各種指定濃度的X射線孵育24 h后，U87MG細胞的細胞存活率；

（c）在U87MG細胞中游離DOX、裝載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊和裝載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊與X射線的IC₅₀值；

（d）用PBS、X射線、游離DOX、負載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊和負載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊X射線處理后半胱天冬酶家族成員表達水平的Western印跡分析；

（e）用不同樣品處理24 h的細胞流式實驗，并用TUNEL-FITC凋亡試劑盒染色。

圖六、PETAzo^@ZnS-A納米膠囊的體內成像和治療效果
（a）動物治療操作時間表；

（b）靜脈內注射負載ICG的PETAzo或PETAzo@ZnS-A納米膠囊后，攜帶U87MG腫瘤的裸鼠的體內熒光成像和光聲成像；

（c）腫瘤熒光信號的定量感興趣區域（ROI）；

（d）在注射負載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊后36 h，DOX在血漿內的濃度；

（e）在負載DOX的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊后，DOX在不同器官和組織中的分布；

（f）在注射DOX的納米膠囊36 h后，PETAzo^@ZnS-A納米膠囊在不同器官和組織中的生物分布；

（g）體內治療方案的示意圖；

（h）不同樣品處理后的相對腫瘤體積；

（i）不同樣品處理組小鼠的體重變化；

（j）腫瘤組織的免疫熒光和組織學染色；

（k）（j）的定量分析。

【小結】

綜上所述，作者成功制備了具有可逆性和可控性的X射線響應的PETAzo^@ZnS-A納米膠囊。該納米膠囊在X射線照射下，可在體內有效靶向釋放藥物和清除腫瘤。ZnS NPs可以將X射線轉換成UV-vis光，誘導偶氮苯基團異構化，從而降低偶氮苯的π-π*堆積相互作用和疏水性，誘導納米膠囊的溶脹，增強雙層滲透性，實現精確的藥物遞送。PETAzo^@ZnS-A遠程控制雙層滲透率納米膠囊在保持結構完整性的同時實現了可調滲透率。體外和體內實驗結果表明，X射線觸發的納米膠囊可以控制藥物的釋放，以滿足不同腫瘤細胞和不同患者的復雜敏感性，實現精確的癌癥治療。

文獻鏈接：X-ray-Controlled Bilayer Permeability of Bionic Nanocapsules Stabilized by Nucleobase Pairing Interactions for Pulsatile Drug Delivery（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903443）

宋繼彬教授簡介

福州大學，化學學院，博士生導師，入選“海外高層次引進人才引進計劃（青年項目）”及福建省“閩江學者特聘教授”。博士畢業于新加坡南洋理工大學，專業為生物醫學工程，之后在美國國立衛生研究院（NIH）分子影像中心從事博士后研究，研究方向為分子影像與癌癥診療。宋繼彬課題組一直從事基于發光有機及無機材料的制備、響應性高分子合成及響應性的納米粒子自組裝，并研究其在分子影像、生物分析、醫學檢測、新型藥物載體等的研究，涉及化學、材料、生物、醫學等多學科交叉研究領域。論文發表方面，共發表SCI論文60余篇，其中以第一作者/通訊作者發表的論文為30余篇（IF > 10分的為26篇），主要包括：Nat. Protoc., Nat. Commun.. Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Soc. Rev. 等。

研究方向：新型生物成像探針的制備、分析化學、分子影像、醫學檢測、新型藥物載體等

個人網站：

http://chem.fzu.edu.cn/html/szdw/jsml/zgj/2018/03/15/260d3cf9-12be-453e-a971-be7a13b38cb9.html

陳小元研究員簡介：美國國立衛生研究院 (NIH) 研究員，Theranostics 雜志創刊主編。美國國立衛生研究院（NIH）生物醫學影像及醫學工程所（NIBIB）任終身資深研究員，分子影像及納米醫學實驗室主任。2012 年獲NIBIB Mentor Award，2014 年獲 NIH Director’s Award，2016 年獲 ACS Bioconjugate Chemistry Lecturer Award，2017 年當選 AIMBE Fellow， 2019年獲SNMMI　Michael　J.　Welch　Award。是 ACS Nano 等多家雜志的編委，Theranostics 雜志的創刊主編（201８ 年影響因子8.063），中美核醫學及分子影像學會(CASNMMI)前任主委，中美納米醫學及納米生物技術學會（CASNN）前任主委，以及美國核醫學及分子影像學會(SNMMI) Radiopharmaceutical Science Council (RPSC) 前任主委。

研究方向：主要涉及體外診斷，體內成像，基因/藥物的納米載體，以及診療一體化。具體包括：1. 新型分子影像造影劑開發，包括正電子發射斷層掃描（PET），單光子發射計算機斷層掃描（SPECT），磁共振成像（MRI），光學（生物發光，熒光和拉曼），超聲，光聲成像等；2. 用于多重生物標志物檢測的超靈敏方法；3. 構建智能納米平臺用于藥物和基因的靶向遞送；4. 分子影像探針的臨床轉化；5. 診療一體化納米材料開發及臨床轉化

個人網站：https://www.nibib.nih.gov/about-nibib/staff/xiaoyuan-chen

本文由CQR編譯。

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