Nature Materials：增强肿瘤纳米药物留存浓度和暴露时间！

第一作者：Yue Yuan

通讯作者：Jeff W. M. Bulte

通讯单位：约翰霍普金斯医学院

研究亮点：

1. 发展了一种基于弗林蛋白酶介导的肿瘤药物胞内自组装策略。

2. 开发了一个小分子探针作为具有抗肿瘤活性的CEST成像剂，实现了肿瘤诊疗效果的极大增强。

纳米药物拟解决的关键问题

纳米药物因为其精准靶向性和特异性，在肿瘤诊疗等领域备受关注。但是多年来的大量研发和实用结果表明，纳米药物想要进入临床，还存在很多问题悬而未决。其中一个问题就是，纳米药物在体内的保留情况差强人意。经过全身给药后，很多情况下只有不到1％的注射剂量到达实体瘤。此外，大多数纳米药物通过非特异性摄入而沉积在肝脏和脾脏中，从而引起副作用。

通过合理的设计，使得探针或药物在和肿瘤特异性酶反应后不被泵出细胞，是目前增强造影剂或抗癌药物在肿瘤内的保留效果的最佳策略之一。为了解决这一问题，全球科学家设计了诸多策略，包括使用P-糖蛋白特异性肽或抗体抑制MDR外排，新型的多靶点药物以及药物的纳米封装等等。

其中，利用小分子药物在细胞内自组装为纳米结构的新策略，可以局部增加药物浓度并延长其保留时间，并使非靶标毒性最小化，近年来备受关注。

成果简介

有鉴于此，约翰霍普金斯大学医学院Jeff W. M.Bulte团队发展了一种基于弗林蛋白酶介导的肿瘤药物胞内自组装策略，开发了一个小分子探针作为具有抗肿瘤活性的CEST成像剂，实现了肿瘤诊疗效果的极大增强。

图1. Olsa-NPs自组装示意图

要点1. 组装新策略

作者将抗癌药物奥沙拉嗪 (Olsa)与带正电荷的细胞穿透肽RVRR相结合得到Olsa-RVRR，随后利用一种在生物学上很容易发生的缩合反应，使得单个Olsa-RVRR分子可以在与肿瘤相关的弗林蛋白酶的介导下在细胞内自组装成大的纳米颗粒。这个小分子探针（Olsa-RVRR）可以作为具有抗肿瘤活性的CEST成像剂。

要点2. 设计原理

弗林蛋白酶是一种在多种恶性肿瘤中上调的前蛋白转化酶，之所以选择这个酶，是因为它不仅可以作为潜在的治疗靶标，还可以作为预测肿瘤发展情况的生物标志物。

另外，研究团队选择olsalazine（Olsa）作为目标研究的小分子药物。这是因为，Olsa是一种DNA甲基化抑制剂，具有广谱抗癌剂的特点。更重要的是，Olsa属于水杨酸酯类材料，可交换的羟基质子使得 Olsa-RVRR和Olsa纳米颗粒均可以实现化学交换饱和转移（CEST）磁共振成像（MRI）。

图2. Olsa-RVRR和Olsa纳米颗粒的物化表征

小分子探针（Olsa-RVRR）一方面诱导试剂穿透膜，另一方面作为弗林蛋白酶切割的底物。当Olsa-RVRR进入表达弗林蛋白酶的细胞后，肽在高尔基复合体附近被弗林蛋白酶切割，从而引发谷胱甘肽（GSH）诱导的D-半胱氨酸与CBT单击缩合反应，形成聚集的Olsa纳米颗粒，最终增强CEST信号。

也就是说，小分子探针（Olsa-RVRR）主要起到两大作用：

1）提高Olsa的细胞内浓度。

2）延长Olsa的细胞内保留时间。

图3.体外细胞研究

要点3. 增强的肿瘤诊疗效果

研究人员使用HCT116和LoVo异种移植肿瘤小鼠模型进行体内研究，结果表明，与没有RVRR的传统Olsa相比，结合有RVRR的Olsa在自组装后的CEST信号和抗肿瘤治疗效果分别增强了6.5倍和5.2倍，并且其成像信号和治疗响应（即归一化的肿瘤尺寸）之间也有着极好的线性相关 (R² = 0.97)。

图4.体内诊疗研究

小结

总之，这一研究所开发的以弗林蛋白酶为靶点的磁共振成像平台具有对肿瘤的侵袭、药物的积累和治疗的响应进行有效评估的良好应用潜力。

参考文献：

YueYuan et al. Furin-mediated intracellular self-assembly of olsalazinenanoparticles for enhanced magnetic resonance imaging and tumour therapy.Nature Materials. 2019

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0503-4