【NS精讀】“汽車尾氣”如何能治療癌癥

引言

一氧化氮是汽車尾氣的組成部分，被認為是一種有害氣體。然而事實上，一氧化氮也是人體中非常重要的信號分子，例如內皮細胞能夠合成一氧化氮，既能促進血管生成，又有助于維持內皮功能。此外，一氧化氮在介導腫瘤形成和增殖方面也都扮演了重要的角色。越來越多的研究表明，血管周圍的一氧化氮對腫瘤血管的正常化具有不可忽視的作用，從而提升抗癌治療效力。因此，已有研究報道了有機（基于硝酸/硝酸鹽和亞硝基硫醇）以及無機（金屬亞硝酰）成分可以作為產生一氧化氮的藥劑用于腫瘤治療。然而，這些藥劑目前依然面臨著半衰期短、生物利用度低以及腫瘤靶向效率差的問題，限制了一氧化氮療法的發展。

圖1?一氧化氮的體內合成機理（來源：網絡）

有鑒于此，國立清華大學的陳韻晶團隊合成了一種新型的一氧化氮遞送系統（NanoNO），能夠持續釋放一氧化氮并將一氧化氮高效遞送至肝癌組織。該研究顯示，低劑量的NanoNO不僅能夠使腫瘤血管正常化、提高化療藥物的遞送能力，還能抑制腫瘤轉移、改善腫瘤區域的免疫抑制性環境。接下來，就讓我們看看這項工作是怎樣完成這些功能的吧。

圖2?陳韻晶團隊在Nature Nanotechnology上發表的最新工作

NanoNO的制備和一氧化氮生成表征

圖3 NanoNO的制備和表征

脂質-PLGA是一種非常經典的藥物載體，在這項工作中，研究人員就利用脂質-PLGA納米顆粒裝載可以產生NO的雙亞硝鐵復合物（DNIC），從而組裝得到NanoNO。由透射電鏡圖和DLS粒徑分析可知，NanoNO是一種分散性良好的納米球體，其粒徑在120納米左右（圖3a b）。DNIC作為一氧化氮攜帶劑能夠主動分解產生一氧化氮。由圖3b可知，在生理條件下NanoNO中的DNIC的半衰期為24小時左右，而相比之下，自由形態DNIC的半衰期只有4小時左右，因此納米顆粒包裹能夠提高DNIC的穩定性。不僅如此，納米顆粒中的DNIC在48小時內能夠穩定持續釋放一氧化氮，而自由DNIC則在前2h快速釋放一氧化氮，并很快就將一氧化氮釋放殆盡。總結來說，納米顆粒裝載更有利于DNIC持續控制一氧化氮的釋放（圖3c）。

NanoNO的抗癌評價

圖4 NanoNO治療模式示意圖

接著，研究人員直入正題，先對NanoNO的抗癌效果進行評價。肝細胞性肝癌（HCC）是血管最為豐富（血管異常化率高）的惡性腫瘤之一，具有抗治療特性，死亡率居高不下。因此研究人員以HCC為腫瘤模型，探討NanoNO在治療HCC方面的作用。研究人員建立了鼠源和人源兩種HCC原位腫瘤模型用以檢測NO富集程度對腫瘤生長的影響。如圖4所示，高劑量NanoNO的處理的小鼠腫瘤均得到了有效抑制，并且隨著劑量的增加，腫瘤體積的減小更加明顯，表明NanoNO治療腫瘤存在劑量依賴性行為。

NanoNO促進腫瘤血管正常化

圖5 低劑量NanoNO能夠正常化HCC腫瘤血管

在確定了NanoNO能夠有效抑制腫瘤后，研究人員開始探討NanoNO的抗腫瘤機理。NanoNO釋放的一氧化氮是一種血管調節劑，它在血管生成和維持血管功能方面均起到了關鍵作用。更重要的是，血管周邊的一氧化氮梯度可以使異常腫瘤血管正常化，以恢復血管功能，更有利于藥物的遞送。因此，研究人員以平均血管密度（MVD）以及血管正常化作為指標評價了HCC模型中的腫瘤血管。 研究顯示，高劑量的NanoNO顯著減少了MVD，證明高劑量一氧化氮能夠發揮抗血管生成活性。而低劑量NanoNO則對MVD的影響可以忽略不計，但是Hoechst 33342⁺和lectin⁺/CD31⁺區域明顯增加，說明低劑量NanoNO處理過的腫瘤血管更加成熟（圖5）。總結來說，相比于高劑量NanoNO，低劑量的NanoNO并未展現出明顯的抗血管生成和抗癌效果，但是其能正常化腫瘤血管，提高腫瘤血管功能和血液灌注能力。

圖6?低劑量NanoNO提高藥物遞送能力

腫瘤血管的異常狀態對藥物遞送和滲透具有消極作用，因此研究人員也研究了經過低劑量NanoNO處理得到正常化腫瘤血管是否會改善藥物遞送效率。研究人員首先以化療藥物DOX作為模型藥物，發現低劑量NanoNO處理的腫瘤能夠提高DOX對腫瘤組織的滲透，增加倍數可以達到2.5倍，而高劑量NanoNO處理過的腫瘤中并沒有發現明顯的DOX滲透改善現象，因此與自由DOX相比，低劑量NanoNO處理的腫瘤對DOX更敏感，腫瘤體積更能被抑制住（圖6a-c）。對于小分子化療藥物具有明顯的作用，那么對于大分子的蛋白質藥物呢？圖6d-f的數據顯示，經過低劑量NanoNO處理的腫瘤，蛋白質藥劑TNF相關凋亡誘導配體（TRAIL）的作用效力更強，腫瘤組織的凋亡細胞比例顯著提升。

NanoNO重塑腫瘤微環境

圖7 低劑量NanoNO重塑腫瘤免疫微環境

腫瘤區域異常的血管狀態能夠導致乏氧的腫瘤微環境，極化腫瘤相關的巨噬細胞進入免疫抑制狀態并且抑制T細胞對腫瘤組織的浸潤，從而降低免疫系統對腫瘤組織的殺傷能力。因此，研究人員非常想知道經過NanoNO處理正常化后的腫瘤血管是否能夠重塑腫瘤免疫微環境。免疫學評價顯示，經過NanoNO處理的腫瘤組織中，M1型巨噬細胞增加而M2型巨噬細胞減少，表明巨噬細胞極化現象被抑制。不僅如此，低劑量NanoNO處理的腫瘤組織能夠顯著提升T細胞的浸潤程度。與陰性對照相比，一氧化氮還能抑制PD-L1（腫瘤細胞上能夠減弱T細胞殺傷效力的免疫檢查點配體）的表達，但是與此同時，高劑量NanoNO處理的腫瘤組織并沒有觀察到T細胞浸潤程度的增加（圖7）。總結來說，低劑量NanoNO既可以直接抑制PD-L1的表達，也能通過正常化腫瘤血管和改變腫瘤組織的極化狀態使得免疫抑制的腫瘤微環境變得具有抗腫瘤免疫性。

NanoNO抑制腫瘤的遠端轉移

圖8?低劑量NanoNO抑制腫瘤轉移

血管正常化也能抑制腫瘤遠端轉移。但是血管正常化和一氧化氮在腫瘤轉移過程中起到的作用目前缺乏機理解釋。因此，文章最后還研究了NanoNO對腫瘤轉移的抑制效果。如圖8所示，DNIC能夠顯著抑制鼠源肝癌細胞的遷移和侵襲。接著，裝載了DNIC的NanoNO被用于研究活體的腫瘤肺轉移過程。數據顯示，低劑量NanoNO也能夠顯著抑制腫瘤的肺轉移發展。

結語

針對腫瘤治療，理想的一氧化氮釋放系統應該是穩定的、具有持續釋放一氧化氮的能力以及在腫瘤區域高度富集的特點。在這篇文章中，研究設計了一種納米遞送系統——NanoNO，不僅能夠穩定一氧化氮供體，實現一氧化氮的持續釋放并且有效靶向腫瘤組織。低劑量NanoNO能夠使腫瘤血管正常化、反轉腫瘤的免疫抑制性環境、抑制腫瘤轉移并且提高化學藥物/蛋白質藥物/免疫疫苗藥物的抗癌效果，為實現一氧化氮氣體療法提供新的思路。

參考文獻：Delivery of nitric oxide with a nanocarrier?promotes tumour vessel normalization and?potentiates anti-cancer therapies. Nature Nanotechnology, 2019, 14, 1160-1169.

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0570-3

本文由nanoCJ供稿。

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