2019年7月1日，浙江大學(xué)申有青教授團隊和加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）顧臻教授團隊合作在Nature Nanotechnology雜志上發(fā)表了題為 Enzyme-activatable polymer–drug conjugate augments tumour penetration and treatment efficacy的研究論文，提出了納米藥物在腫瘤組織中主動滲透新機制，有望解決納米藥物在實體瘤中滲透難的瓶頸問題，并用多種動物模型驗證了其在體內(nèi)顯著的抑瘤效果。

腫瘤靶向納米藥物的體內(nèi)輸送過程是一個包括從血液循環(huán)系統(tǒng)(Circulation)向腫瘤組織內(nèi)蓄積(Accumulation)、在瘤內(nèi)滲透擴散(Penetration)以被腫瘤細胞內(nèi)吞(Internalization)、然后在胞內(nèi)將藥物釋放(Release)的五步"CAPIR級聯(lián)"過程 (circulation, accumulation, penetration,internalization and release)。這種串聯(lián)過程的特點使每步都有高的輸送效率成為納米藥物獲得高療效的關(guān)鍵，但納米藥物在腫瘤組織內(nèi)難以滲透擴散是其最大的難題。

腫瘤內(nèi)部缺少毛細血管網(wǎng)，有非常致密的細胞外基質(zhì)和非常高的細胞密度，因此即使是小分子溶質(zhì)也難以從瘤內(nèi)擴散出來，也由此導(dǎo)致了瘤內(nèi)高的滲透壓。這些腫瘤組織微環(huán)境的特點使氧氣這種很?。?.346 納米）的分子在瘤內(nèi)也只能擴散100-200 微米處（一到兩根頭發(fā)的直徑），藥物分子（幾個納米）在腫瘤組織內(nèi)的擴散已經(jīng)非常有限，相對來說體積巨大（粒徑一般在幾十甚至上百納米）的納米藥物在瘤內(nèi)也就難以移動。因此，納米藥物自身大尺寸的因素和腫瘤組織結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致了目前臨床用納米藥物即使能夠蓄積在瘤內(nèi)，也難以在瘤內(nèi)滲透擴散開來到達血管遠處的腫瘤細胞，也就無法完成輸送過程的入胞和胞內(nèi)釋放兩步，導(dǎo)致療效不理想，這也是眾多新開發(fā)的納米藥物臨床實驗失敗的重要原因。

針對上述問題，國內(nèi)外研究者進行了大量的探索工作，如降低腫瘤組織密度、減小納米藥物尺寸以降低納米藥物在瘤內(nèi)的滲透阻力，表面修飾可促進組織滲透的功能基團等工作，雖然能在一定程度上提高納米藥物在腫瘤組織內(nèi)的滲透能力，但大尺寸的納米藥物要在致密的腫瘤內(nèi)依靠自身的擴散進行被動滲透的機理沒有變，滲透擴散困難的“天然短板”依然存在。

在最新的這項研究中，研究人員巧妙地利用了腫瘤內(nèi)細胞密度高的特點、讓它們“主動地”在細胞間傳遞納米藥物：即讓細胞從一邊吞噬納米藥物，然后從另一邊將一些納米藥物排到細胞間液中（即胞吞轉(zhuǎn)運作用），讓鄰層的細胞重復(fù)內(nèi)吞和外排，從而實現(xiàn)不依賴擴散的納米藥物跨細胞傳遞，即“主動”腫瘤滲透。實現(xiàn)這一設(shè)想的必要條件是納米藥物能夠被快速內(nèi)吞。大量的工作表面帶正電的納米藥物具有快速細胞內(nèi)吞的能力，但關(guān)鍵是如何使血液循環(huán)系統(tǒng)中呈電中性的或者電負(fù)性的納米藥物只在腫瘤的毛細血管內(nèi)、或外滲進入腫瘤組織后就立即帶上正電，以觸發(fā)上述快速細胞內(nèi)吞和主動腫瘤滲透。 

為此，本文作者利用腫瘤血管的內(nèi)皮細胞上及血管附近腫瘤細胞高表達γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（GGT）的特點，設(shè)計合成了GGT響應(yīng)性的聚合物PBEAGA及其與化療藥物喜樹堿（CPT）的偶聯(lián)物PBEAGA-CPT。PBEAGA以離子對型的γ-谷氨?；鶠閭?cè)基，因而具有高水溶性和電中性及與金標(biāo)準(zhǔn)聚乙二醇（PEG）相當(dāng)?shù)拈L血液循環(huán)時間。到達腫瘤部位之后，細胞表面的GGT水解掉聚合物上的γ-谷氨?；a(chǎn)生胺基，使聚合物帶上正電荷，促使血管表皮細胞或者腫瘤細胞快速內(nèi)吞陽離子化的偶聯(lián)物，進而觸發(fā)轉(zhuǎn)胞吞作用和在腫瘤組織內(nèi)的跨細胞傳遞（圖1a）。體內(nèi)滲透實驗表明，納米藥物經(jīng)尾靜脈注射十分鐘后，PBEAGA-CPT的紅色熒光就已經(jīng)外滲出腫瘤毛細血管并遍布整個腫瘤區(qū)域，不到一小時后整個腫瘤組織內(nèi)的藥物濃度就和腫瘤血管內(nèi)的濃度相當(dāng)（圖1b）?？梢?，這種依賴細胞耗能的內(nèi)吞/外排的主動滲透策略能賦予納米藥物在實體瘤中快速滲透分布的能力。

圖1（a） PBEAGA-CPT在腫瘤組織中的主動滲透機理圖；（b）激光共聚焦實時監(jiān)測PBEAGA-CPT在腫瘤組織中的滲透情況

最后，研究者用多種動物模型考察了PBEAGA-CPT在體內(nèi)的抑瘤效果，結(jié)果表明，尾靜脈注射的PBEAGA-CPT不僅能完全治愈起始體積為100立方毫米的小腫瘤（圖3a），而且對于難以治療的、已處于指數(shù)增長、達500立方毫米大腫瘤，尾靜脈給藥后腫瘤體積迅速萎縮變得很小，停藥半月后也未見明顯反彈，抑瘤率高達98%（圖3b）。最后研究者還挑戰(zhàn)了號稱癌癥之王的“胰腺癌”，建立了胰腺癌原位模型，發(fā)現(xiàn)與臨床一線藥物吉西他濱相比，PBEAGA-CPT顯著抑制腫瘤的生長而大大延長了實驗小鼠的存活期（圖3c）。

圖3 PBEAGA-CPT在多種動物模型中的抑瘤效果圖

值得一提的是，這種化被動滲透為主動滲透的策略，使納米藥物避開了腫瘤組織致密微環(huán)境構(gòu)成的天然生物屏障，克服了納米藥物大尺寸導(dǎo)致擴散能力低的天然缺陷，有望解決納米藥物在腫瘤組織內(nèi)滲透難的問題，為下一階段納米藥物的設(shè)計開辟了新的思路。下一步，研究者將在人源動物模型中進一步驗證其抑瘤效果，為潛在應(yīng)用于臨床做好準(zhǔn)備。同時研究者也在嘗試?yán)妙愃频姆椒ㄝ斔推渌鼓[瘤藥物、將延展其成為平臺化技術(shù)的可能。

值得一提的，Nature Nanotechology雜志同期還發(fā)表了題為Transcellular transfer of nanomedicine的News & Views的評論文章，對上述工作進行了highloght。

本文通訊作者浙江大學(xué)申有青教授（左）和UCLA顧臻教授（右）

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0485-z