本方案详细阐述了叶酸修饰的角鲨烯-壳聚糖纳米颗粒的合成与表征,评估了其酶响应性药物释放及体外细胞摄取效果,并通过靶向递送应用于增强胰腺癌治疗。
方法文章
* These authors contributed equally
本方案详细阐述了叶酸修饰的角鲨烯-壳聚糖纳米颗粒的合成与表征,评估了其酶响应性药物释放及体外细胞摄取效果,并通过靶向递送应用于增强胰腺癌治疗。
本文介绍了一种针对胰腺导管腺癌(PDAC)致密细胞外基质(ECM)导致小分子药物瘤内渗透受限问题的解决方案。前药策略通过增强药物渗透性和抗肿瘤疗效,为克服这一挑战提供了巨大潜力。角鲨烯(squalene, SQ)是胆固醇生物合成的天然前体,具有优异的生物安全性和生物相容性,当其与化疗药物或生物活性小分子偶联时,可改善亲水性药物的膜相容性并促进细胞摄取。本研究开发了一种新型脂溶性SQ基前药系统:将亲水性抗癌药物西达本胺(chidamide, CHI)通过酰胺键与SQ偶联,该连接键可响应胰蛋白酶和组织蛋白酶B(cathepsin B)——这两种酶在PDAC微环境中高表达。该偶联反应生成两亲性SQ-CHI前药,并进一步自组装形成叶酸(folate, FA)修饰的纳米颗粒(FA-SQ-CHI NPs)。优化后的纳米颗粒具有均匀的流体动力学直径(173.3 ± 1.5 nm)、较低的多分散系数(PDI:0.181 ± 0.18)、高达59.0% ± 0.77%的载药量以及稳定的Zeta电位(-13.10 ± 0.86 mV)。 体外 释放研究表明,在含有0.25%胰酶的条件下,纳米颗粒(NPs)在72小时内实现了80.2% ± 4.22%的累积药物释放;而在无酶、pH调节至4.5或7.4的缓冲液中,药物释放率仅为33%–38%。细胞摄取实验证实,叶酸(FA)修饰显著提高了细胞内递送效率,在12–24小时时间点,胰腺导管腺癌细胞(PSN-1和CFPAC-1)中荧光强度比非靶向纳米颗粒高出1.8–2.3倍。本实验方案提供了前药合成与表征的完整方法学。 体外 酶响应性释放动力学评估,以及治疗效果和组织穿透能力的比较分析,突显了该纳米载体在靶向递送、高载药量和酶触发控释方面的核心优势。
胰腺导管腺癌(PDAC)是一种高度恶性的消化道肿瘤,其发病率几乎等于死亡率,5年生存率仅为8%–9%1。复杂的肿瘤微环境(TME)是PDAC的典型特征2。它主要由异常的细胞外基质(ECM)、活化的癌症相关成纤维细胞(CAFs)以及高度免疫抑制的细胞环境组成。PDAC的ECM富含I型胶原蛋白。其成分的改变和结构的异常均促进肿瘤进展,并与不良预后相关3。CAFs是最丰富的间质细胞,包含功能不同的亚型,例如产生基质的myCAFs和具有炎症特性的iCAFs,这些亚型表现出表型可塑性4。
从免疫学角度来看,胰腺导管腺癌(PDAC)的肿瘤微环境(TME)主要由促进肿瘤发展的髓系细胞主导,而具有抗肿瘤作用的淋巴细胞则数量稀少或功能异常。成熟的B淋巴细胞也被证实参与免疫抑制作用3,4。这些成分共同构成了多重治疗障碍。致密的间质组织具有高组织液压力的特征,形成显著的渗透屏障,严重阻碍治疗药物向肿瘤深部区域的递送,从而大幅限制了化疗药物的临床疗效5。因此,开发能够克服这一间质屏障并深入穿透胰腺肿瘤组织的药物递送系统至关重要。
近年来,角鲨烯(squalene, SQ)作为一种胆固醇生物合成的天然前体,因其优异的生物安全性和生物相容性而受到广泛关注6。由于角鲨烯具有高度疏水性,可与亲水性药物偶联形成两亲性前药,从而改善亲水性小分子药物与细胞膜的生物相容性,并提高其细胞摄取效率7。先前的研究表明,角鲨烯可与多种化疗药物(如顺铂、紫杉醇和吉西他滨)共价偶联,形成具有高载药量的前药纳米颗粒,从而增强药物向实体瘤的递送效果8,9。这些特性凸显了角鲨烯在药物递送系统开发中的广阔应用潜力。
为了增强对肿瘤的靶向性,本研究采用叶酸(FA)作为靶向配体。叶酸是一种水溶性维生素,在一碳代谢、生物合成10、氧化还原稳态11以及甲基化反应12中发挥关键作用。通过其羧基将叶酸偶联至纳米载体,可实现对叶酸受体(FR)的特异性识别与结合,并进一步介导受体介导的内吞作用13。Zheng 等人14利用肿瘤细胞的增强通透性和滞留效应,通过蛋白质印迹和免疫组织化学方法检测了胰腺癌、正常胰腺、邻近组织及慢性胰腺炎中叶酸受体α(FRα)的表达情况,并分析了其与临床病理特征的相关性。结果显示,在76例胰腺癌病例中,94.7%(72/76)呈FRα表达,且表达水平与转移相关,而在正常胰腺组织中则无表达。经叶酸修饰的纳米颗粒可选择性地在FR阳性组织中富集,从而实现分子靶向治疗。
西达本胺(CHI)是一种新型组蛋白去乙酰化酶抑制剂。临床前研究显示,它对胰腺癌和乳腺癌等实体瘤具有显著的抗肿瘤活性,并可逆转肿瘤细胞的耐药性。15,16然而,其强亲水性导致进入肿瘤微环境的渗透效率较低,并在实体瘤组织中分布不佳,这严重限制了其在胰腺癌临床治疗中的应用潜力5以西达本胺(CHI)为模型药物,本研究提出通过将CHI与SQ偶联并进一步修饰叶酸(FA)来制备自组装纳米颗粒。该策略旨在通过克服CHI在肿瘤微环境中的渗透性差以及在实体瘤组织内分布不均的问题,从而提高其对胰腺癌的抗肿瘤疗效。此外,通过评估 体外 CHI在胰腺癌细胞系中的疗效,该方法有望显著增强CHI——一种典型的亲水性小分子药物——在胰腺肿瘤微环境中的渗透性和细胞毒性作用,从而为指导基于CHI的胰腺癌治疗提供实验依据。
本研究详细阐述了制备用于胰腺癌治疗的CHI-SQ-PEG-FA自组装前药纳米粒子的实验步骤。具体而言,我们描述了CHI-SQ-PEG-FA纳米粒子制备工艺的优化及其表征方法,以及 体外 药物释放研究。该过程包括:首先,采用单因素实验方法优化配方,确定最佳粒径和载药量;其次,利用UPLC和MTS检测对纳米颗粒进行表征;最后,建立一个 体外 共培养肿瘤球模型。利用香豆素-6(C6)作为靶向纳米颗粒中的荧光探针,我们进一步验证了纳米颗粒在三维肿瘤球体内的穿透与分布,并获取相关数据。
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1. SQ-CHI 和 SQ-PEG-FA 的合成
2. SQ-PEG-FA 结构的验证
3. 体外 药物释放研究
4. 统计分析
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本研究成功设计并系统评价了一种新型靶向纳米药物递送系统——基于西达本胺鲨烯酰化前药的自组装纳米粒(CHI-SQ-PEG-FA NPs;图1)。我们合成了CHI-SQ-PEG-FA NPs(图2),并系统评估了油水相比例(图3A)、搅拌时间(图3B)和超声条件(图3C)等不同参数对纳米粒粒径和多分散系数(PDI)的影响。此外,通过显微镜观察了CHI-SQ-PEG NPs和CHI-SQ-PEG-FA NPs的形态学特征(图4)。该系统在物理特性、药物释放行为(图5)、三维肿瘤模型中的疗效(图6)以及细胞摄取能力(图7
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本研究提供了一种基于纳米颗粒自组装的低腰系统的实用分步实施指南。本研究获得的自组装纳米颗粒呈现出规则的球形形貌、良好的分散性、均一的粒径分布、高载药量和包封率,并表现出满意的稳定性21采用PSN-1/HPSC三维肿瘤类球体共培养模型评估纳米颗粒的穿透能力,结果显示叶酸修饰的CHI-SQ-PEG-FA纳米颗粒可更有效地穿透至肿瘤类球体的核心区域。此外,该纳米颗粒在肿瘤类球体内的滞留时间显著延长。这种增强的滞留效应可归因于角鲨烯化后CHI的脂溶性显著提高。这些纳米颗粒通过肿瘤细胞的内吞作用及细胞间转运促进细胞摄取,从而实现对肿瘤微环境的深层渗透22同时,通过叶酸受体介导的内吞作用,以叶酸为靶向基团的表面修饰可进一步增强纳米颗粒被胰腺癌细胞的内化。23通过细胞表面叶酸受体的高表达所介导的通路,最终实现改善 体内 药物疗效24.
自组装纳米颗粒具有诸多优势,如高载药量、低毒性、增强的...
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作者声明无利益冲突。
本工作获得浙江省自然科学基金资助(LZ23H290001,LY19H280001);国家自然科学基金资助(82474338 和 82274364);浙江省“三农九方”农业科技协作计划项目(2025SNJF075);湖州市科技计划公益性研究项目(2021GZ261);以及浙江省教育厅一般科研项目(Y202456442,2025YKJ10)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA | Gibco (USA) | 25200072 | |
| 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDCI) | Sigma-Aldrich (USA) | E6383 | |
| 2 mL 冻存管 | Corning (USA) | 430488 | |
| 96 孔细胞培养板 | Corning (USA) | 3598 | |
| 无水乙醇 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 100092680 | |
| 丙酮 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 32201-2.5L | |
| 乙腈 | Tedia (USA) | A998-4 | HPLC 级 |
| 乙酸铵 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 10002861 | |
| 无水硫酸钠 | Sigma-Aldrich (USA) | 31481 | |
| 生物安全柜 | Thermo Fisher Scientific, USA | 1380, 1332, 1356 | |
| 细胞培养瓶 | Corning (USA) | CLS430372 | |
| 细胞培养孵育箱 | Thermo Fisher Scientific, USA | HERA51901126 | |
| 西达本胺(CHI) | 深圳微芯生物医药科技有限公司(中国) | 纯度 >95% | |
| Cytation 5 多功能微孔板读数仪 | BioTek, USA | CYT5MV | |
| DF-101S 恒温磁力搅拌器 | 郑州科创仪器有限公司,中国 | ||
| 二氯甲烷 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 80047318 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma-Aldrich (USA) | D2650 | |
| 二噁烷 | 阿拉丁(中国) | D116156-5ml | |
| DMEM 培养基 | Gibco (USA) | 12100046 | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液(DPBS) | Gibco (USA) | 14040141 | |
| 乙酸乙酯 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 10009460 | |
| 乙醚 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | ||
| FA2004B 电子天平 | 上海天美衡器仪器有限公司,中国 | FA2004B | |
| 胎牛血清(FBS) | Gibco (USA) | 10099141C | |
| 叶酸-聚乙二醇-胺(FA-PEG-NH2) | 上海朋澍生物科技有限公司(中国) | PS2-NFA-2000 | |
| 甲酸 | 阿拉丁(中国) | F112034 | HPLC 级 |
| 冷冻干燥机 | Thermo Fisher Scientific, USA | ||
| 人组织蛋白酶 B | Sigma-Aldrich (USA) | SRP0289 | |
| 人胰腺癌细胞系(PSN-1, CFPAC-1) | 美国模式培养物集存库(ATCC) | CRL-3211, CRL-1918 | |
| 人胰腺星状细胞(HPaStec, HPSC) | 美国模式培养物集存库(ATCC) | ||
| 人胰蛋白酶 | Sigma-Aldrich (USA) | ||
| 盐酸 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | CFSR-10011008 | |
| 倒置显微镜 | Olympus, 日本 | IX83 | |
| Iscove 改良杜氏培养基(IMDM) | Gibco (USA) | 12440053 | |
| IX 1000 涡旋混合器 | 杭州瑞诚仪器有限公司,中国 | IX 1000 | |
| 甲醇 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | M433287-10L | |
| 甲醇 | Tedia (USA) | MS1922-001 | HPLC 级 |
| 微量离心管(1.5/2.0 mL) | Axygen (USA) | MCT-150-C | |
| 移液器(20, 100, 和 1000 μL) | Thermo Fisher Scientific, USA | 4642050, 4642070, 4642090 | |
| Mill-Q 水纯化系统 | Millipore, USA | ZR0Q00800 | |
| MTS 检测试剂盒(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-5-(3-羧甲氧基苯基)-2-(4-磺苯基)-2H-四氮唑) | Promega (USA) | G3582 | |
| N,N-二甲基甲酰胺(DMF) | 阿拉丁(中国) | ||
| N-溴代琥珀酰亚胺(NBS) | Sigma-Aldrich (USA) | B81255 | |
| N-羟基琥珀酰亚胺(NHS) | Sigma-Aldrich (USA) | 56480 | |
| Optima Max 超速离心机 | Beckman, USA | 393490 | |
| 青霉素/链霉素溶液 | Gibco (USA) | 15140-122 | |
| 高碘酸 | Sigma-Aldrich (USA) | P7875 | |
| 石油醚 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | ||
| 吩嗪甲基硫酸盐(PMS) | Sigma-Aldrich (USA) | 3180806 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Gibco (USA) | 70011069 | |
| 聚乙二醇-胺(PEG-NH2) | 上海朋澍生物科技有限公司(中国) | PG2-AM-20k | |
| RPMI-1640 培养基 | Gibco (USA) | 31800022 | |
| 硅胶粉末 | Sigma-Aldrich (USA) | 53698 | 300 目 |
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich (USA) | 401676 | |
| 氯化钠 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 10019318 | |
| 二水合重铬酸钠 | Sigma-Aldrich (USA) | 1.93689 | |
| 角鲨烯 | Sigma-Aldrich (USA) | Y0002131 | |
| 无菌离心管(15 和 50 mL) | Corning (USA) | 430791, 430828 | |
| 硫酸 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 10021618 | |
| 四氢呋喃 | 中国医药集团有限公司(Sinopharm) | 34865-4X4L | 分析纯 |
| 超滤离心管(截留分子量:3.5 kDa) | Beckman, USA | 344088 |
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