赵宇亮院士等Nature Commun.：药物递送和肿瘤成像新进展！
第一作者：Hong-Wei An
通讯作者：赵宇亮、王浩、徐万海
通讯单位：国家纳米科学中心、哈尔滨医科大学附属第四医院
研究亮点：
1. 构建新型肿瘤选择性级联激活自滞留系统(TCASS)作为肿瘤纳米医药，揭示其在肿瘤部位有效蓄积和滞留机制，分析该系统的药代动力学。
2. TCASS体内自组装具有新的靶向机制，在肿瘤区域显示出增强的积累；与典型的软、硬纳米材料相比，提高了穿透能力；TCASS的器官竞争行为类似于小分子的竞争行为，可从肝脏和肾脏迅速排泄，而相对缓慢地从肿瘤组织中清除。
3. 通过整合化疗药物或造影剂，TCASS可成功用于小鼠给药过程或分离的患者完整膀胱的图像引导手术。
纳米医学的研究难题
传统的分子化疗药物和显像剂因会被快速代谢清除，表现出相对较低的生物利用率。具有靶向基序和优化颗粒大小的纳米材料系统在肿瘤内积累并能提高分子利用率，开发小尺寸纳米超级结构可增强长期循环，使用物理工具能够增加纳米颗粒的积累和保留，降低毒性和优化代谢。然而，这些策略在向临床实践的转化中，仍需要优化。
目前，基于超分子化学的体内自组装策略已被广泛认为是对抗多种威胁生命疾病的有力工具，然而，设计具有生物功能的可控构件和预测体内自组装行为仍面临障碍。因此，从头设计具有生命系统自组装能力的生物相容小分子对于生物学的深入研究势在必行。
有鉴于此，国家纳米科学中心赵宇亮院士、王浩研究员以及哈尔滨医科大学附属第四医院团队徐万海教授等人构建了一种新型肿瘤选择性级联激活自滞留系统(TCASS)作为肿瘤纳米医药，以优化积累、渗透和器官竞争，揭示其在肿瘤部位有效蓄积和滞留机制，分析该系统的药代动力学。
要点1：TCASS系统的组成及作用机制
TCASS系统(图1a)的模块化单元由(Ⅰ)肿瘤特异性识别基序(AVPIAQK)，(Ⅱ)酶可切割的连接物(DEVD)，(Ⅲ)自组装基序(KLVFFAECG)和(Ⅳ)功能分子(菁染料，Cy；或阿霉素，DOX)组成。
识别基序特异性识别X-连锁凋亡抑制蛋白(XIAP)，该蛋白在癌细胞中过度表达。识别过程将激活下游caspase-3/7，从而触发自组装过程(图1b)。裂解分子在原位快速自组装并形成纤维状β-Sheet超结构，β-Sheet纳米结构显著增强功能分子在肿瘤组织中的积累和保留。
要点2：分子合成
合成三种不同肽分子用于研究与结构相关的自组装行为：
分子1(AVPIAQKDEVDKLVFFAEC(Cy)G)：具有识别和自组装基序；
分子2(MDEKAQKDEVDKLVFFAEC(Cy)G)：仅具有自组装基序；
分子3(AVPIAQKDEVDEC(Cy)G：仅具有识别基序。
要点3：TCASS在过度表达XIAP的肿瘤细胞中有更强的积累和保留作用。
首先，通过western blotting检测了XIAP在两个细胞系中的表达，与293T细胞中的XIAP水平相比，XIAP在H460中过度表达。分子1与H460共同孵育48小时后，共聚焦显微镜观察到细胞质中分子1仍有明显的红色荧光。在相同的实验方案下，在分子1处理的293T细胞中仅发现微弱荧光(图2d)。与293T细胞相比，分子1在H460细胞中表现出更高的蓄积和更长的滞留时间(48h)。细胞摄取分子后的细胞传代进一步证实此结果。以上结果表明TCASS靶向机制有助于分子1在XIAP过表达细胞中的积累和保留。
此外，通过抑制caspase-3实验排除分子摄取差异来自不同细胞系的固有特性而不是依赖于识别和裂解后自组装的可能性，表明caspase-3的活化是分子自组装不可缺少的因素，推测XIAP的识别促进了caspase-3的活化，从而切割分子1，导致自组装。
图2. 细胞实验结果
要点4：体内实验显示TCASS有优良的靶向、积累和保留作用
利用异种移植XIAP过表达H460和EJ细胞的小鼠模型(BALB/c裸)评估TCASS。结果表明，在新的靶向机制下，分子1在裂解后原位自组装，在肿瘤部位表现出更高的保留效率，增加了肿瘤与其他器官对纳米材料的竞争。
通过药代动力学实验定量比较了分子在主要器官和肿瘤中的分布，结果表明，TCASS显著增强了纳米材料在肿瘤区域的积累和滞留，并实现了类似小分子的清除途径，从RES的器官如肝脏和肾脏以及胃肠道排泄。使用多光谱光声断层扫描(MSOT)成像系统进一步研究了TCASS导致的肿瘤穿透性，证实了TCASS具有更高的肿瘤穿透率。
图3. TCASS体内分布结果
要点5：临床应用价值
膀胱作为一种易到达的中空器官，在临床上为膀胱内灌注药物提供了良好的封闭空间。这种给药方式能最大限度减少包括化疗药物、显像剂等在内的化合物的潜在全身毒性，TCASS可以通过膀胱内给药特异性靶向膀胱癌组织。人完整膀胱体外成像结果表明，TCASS在检测膀胱癌方面具有较高的特异性和敏感性，在膀胱癌的诊断和手术治疗中具有巨大的临床转化潜在价值。
图4. 人完整膀胱体外成像图
小结
TCASS在肿瘤组织中表现出高效的分子蓄积和滞留，与典型的纳米材料相比，能增强肿瘤穿透能力。同时，TCASS的器官竞争行为类似于小分子的竞争行为，从肝脏和肾脏迅速排泄。此外，与化疗药物(例如DOX)整合，TCASS具有增强的治疗效果和可忽略不计的全身毒性。而与造影剂整合，TCASS对膀胱癌具有高度的特异性和敏感性。这项研究提供了一种全新肿瘤靶向概念，可能比主动/被动靶向机制更有效。
参考文献：
Hong-Wei An et al. A tumour-selective cascade activatable self-detained system for drug delivery and cancer imaging. Nat. Commun., 2019, 10, 4861.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12848-5