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通向肿瘤基因治疗之路——纳米特性自适应型高效纳米输送系统
发表时间 2018-03-22 14:05 来源 本站原创

  治疗肿瘤的新机遇

  癌症是人类最难治愈的常见疾病,寻求有效的抗癌方法,彻底攻克癌症,一直是科研工作者所面临的一个重大课题。据国家癌症中心2017年公布的最新统计数字显示,2013年我国每天约1万人确诊癌症,每分钟约7人确诊患癌,与2012年相比,癌症新发人数增幅3%。近年来,恶性肿瘤发病率在全球范围内总体呈增长趋势。

  临床上,医生主要采用手术切除大肿瘤,化疗或放疗清除小肿瘤,但是对于晚期癌症效果仍不理想,而且有很多副作用(恶心、呕吐、脱发等等)。如何才能从根本上清除肿瘤,让肿瘤从根本上失去生机呢?随着纳米技术在医药领域的广泛应用,靶向纳米递药系统的研究为肿瘤的治疗开辟了新道路。其中,输送核酸药物来进行肿瘤治疗,即肿瘤的基因治疗,是很有发展前景的方向。

  肿瘤的基因治疗

  随着肿瘤生物学和分子生物学的发展,人们逐渐认识到癌症的本质是正常细胞发生基因突变,病变细胞失去控制而肆意扩增、扩散,最终破坏机体正常组织和器官,致使癌症患者因脏器功能衰竭而死。因此,利用核酸药物直接作用于肿瘤细胞变坏了的“大脑”——致病基因上,关闭肿瘤细胞初始的“潘多拉魔盒”——阻断致病蛋白的表达,或者产生治疗蛋白使这些“癫狂”的细胞恢复其正常状态或死亡,实现理想的治疗效果。这些神奇的核酸药物包括DNA和各种具有不同功能的寡聚核糖核苷酸(RNA)。它们只能作用于目标病灶基因上,因此专一性高、毒副作用小,并且这种治疗有“釜底抽薪”的作用而疗效高。

  但是,这些核酸药物必须在“癫狂”的肿瘤细胞里甚至于它们的细胞核里才能发挥效果。但对核酸药物来说,从静脉注射点到肿瘤细胞是一个“布满陷阱”的危险复杂的历程,要经过几道“鬼门关”:(1)血液循环:注射到血液循环系统中的核酸药物,必须流经肿瘤时才有机会停留在肿瘤里。因为不是所有的血液都经过肿瘤,特别是非肝部位的肿瘤,因此药物在血液中的时间越长、经过肿瘤的机会越多。但是,人体血液里有许许多多的“卫士”和器官如肝脾时刻监视着血液中的“过客”,核酸药物这种对人体来说的“异物”很容易被发现清除,因此核酸药物必须躲过这些清除才能在血液中保持较长时间。(2)肿瘤内蓄积:血液中的核酸药物需要找机会从肿瘤血管有破损的地方逃出进入到肿瘤组织内,但不是所有经过的核酸药物有机会找到这些破损的地方。(3)肿瘤内渗透:从血管逃出来的核酸药物可能遇到血管附近的细胞,但是众多肿瘤细胞是“住”在远离肿瘤毛细血管网的地方。由于肿瘤细胞不加限制地“繁殖”而使细胞密度很高,肿瘤细胞间又有许多它们分泌出的“障碍物”,导致任何分子在肿瘤内穿行都非常困难。因此,肿瘤毛细血管附近的药物很难到达远离血管的肿瘤细胞,一般只能停留在血管附近。(4)进入肿瘤细胞: RNA等核酸药物的作用场所是在细胞浆里;而DNA药物需利用细胞核内的“机器”来翻译和表达治疗性蛋白,因此它还必须进人细胞核才能做工作。但是,细胞有细胞膜和核膜很好地保护着,很难进入。(5)细胞内药物释放:装在“笼子”里的药物无法去“寻靶”因而即使在细胞里也没有活性而成为“哑弹”。因此药物只有在自由状态下才会发挥药效。由此可见,核酸药物要“披荆斩棘”穿过这层层陷阱才能到达其作业场所。另一方面,核酸药物本身非常“娇嫩”、非常容易被身体里的酶分解掉;同时,带负电荷的细胞膜因同性相斥的作用而不允许带着负电荷、体型又大的核酸药物通过细胞膜进入细胞。因此,核酸药物自己无法完成这一艰难危险的旅程,需要类似于“装甲运兵车”的运输工具来保护它并将其送到肿瘤细胞内甚至细胞核内。这“装甲运兵车”就是核酸药物输送系统。

  自然界存在着最有效的核酸输送系统——病毒,它用坚实的衣壳包裹着一套病毒基因高效地侵染生物体。因此,改造过的病毒自然而然地是高效的核酸药物输送系统,目前已有两个产品在临床上应用了,疗效很好,并有许多在临床试验中。但是,即使被改造过的病毒仍有可能有致癌性、免疫原性、细胞病理改变等安全性问题。并且由于病毒生产成本太高,目前的治疗花费高达八十多万美元。

  能否仿制病毒用人工合成的材料打造出一套类似的系统来输送核酸药物呢?这就是病毒的“高仿品”——利用纳米技术和合成材料打造的非病毒基因纳米输送系统。目前研究最多的非病毒纳米输送系统是阳离子脂质体、聚合物及其杂化体系。例如,带正电荷的聚合物与带负电荷的核酸静电相吸作用而紧密压缩形成含核酸药物的纳米颗粒。核酸药物隐藏在纳米颗粒里因此被保护起来,并且被压缩后其“个头”变小、负电荷被隐蔽起来,因此可以很容易地被细胞接纳而进人细胞。进人细胞后聚合物和核酸药物分开,核酸药物去工作发挥药效。

  与病毒核酸药物载药系统相比,我们的非病毒“高仿品”不会将携带的核酸插入或整合到宿主细胞的染色体序列中,因此具有很高的生物安全性。非病毒核酸载药系统还具有优异的成药性能,更易实现规模化生产,载体质量可控性更高,使用简单方便等优势。

  非病毒基因纳米输送系统的挑战与纳米特性自适应型高效基因纳米输送系统

  非病毒基因纳米基因输送系统安全、成本低,但是目前还处于“雏形”阶段,仍存在着两大问题:一是完成从注射到肿瘤的这一旅程的效率还不高。据《自然综述-材料》的文章统计了过去十年、超过一百篇纳米输送系统的研究论文得出,平均只有千分之七注射剂量的纳米药物成功到达肿瘤。二是到达肿瘤细胞后,纳米基因输送系统中核酸药物发挥药效的能力低;与病毒相比,非病毒输送系统输送的基因表达效率仍很低、产生效果不高。这其中有许多的原因。例如,聚合物/核酸药物在一起时,由于静电相吸作用它们很愿意缠结在一起,即使进入细胞后也难以分开,被缠结不自由的核酸药物“无法工作”,导致效率低下。因此,如何解决这两大难题来提高基因的输送效率和表达效率,是提高非病毒基因纳米输送系统的疗效并应用于临床的关键。

  “师法自然”、向病毒学习,是设计解决上述关键难题的途径。分析病毒的侵染过程可以发现,在整个过程中病毒颗粒的性质特别是纳米相关的性质和结构在不断地变化来适应细胞内的环境、使它的基因有效地被保护、到达细胞核及利用宿主细胞的细胞器完成基因复制、增殖、包装及最终释放。因此,非病毒基因纳米输送系统要高效地避开各种陷阱、完成从注射点到肿瘤的递送、并进一步把功能完整的核酸药物递送到细胞浆甚至细胞核、最后使其有效转染和表达,也必须在输送过程的每步中,其纳米特性适应相应的微环境来避开该步的陷阱,提高各步效率。基于以上分析,浙江大学生物纳米工程中心申有青教授课题组针对输送过程的生理屏障,尤其是限速步骤,提出了研制纳米特性自适应型高效药物纳米输送系统:该输送系统如同“变形金刚”,可以在输送各步改变自己纳米特性以获得最佳的输送效率(Advanced Materials 2014, 2017),并设计出智能响应肿瘤微环境的多功能载体材料,设计合成了一系列各有优势的基因输送载体,并取得了较好的肿瘤治疗效果。

  刘欣博士合成一种氧化触发电荷反转型聚合物,并由此构建了膜融合型基因输送体系(fusogenic charge-reversal lipopolyplexes, FLPPs),使基因输送系统以膜融合方式进入细胞从而避开溶酶体陷阱。肿瘤细胞内活性氧自由基促使阳离子聚合物转变为聚阴离子,快速释放核酸,大大提高了阳离子聚合物非病毒基因输送系统的转染效率。成果发表于《Advanced Materials 2017》杂志上。在此基础上,祝鼎成博士设计了一类能够在细胞内完全解体为不带任何电荷的阳离子聚合物。复合物纳米颗粒从内涵体/溶酶体逃逸后,在肿瘤细胞内较高ROS水平下,该聚合物能降解形成不带电荷的小分子,失去与核酸的结合能力,快速释放核酸。使这种聚合物载体具备高效的基因表达能力,它对细胞的毒性也很低。通过细胞层面上的一系列实验,研究者最终筛选出了一种在有血清条件下仍具有高效基因输送能力的载体。该载体携带自杀基因TRAIL治疗腹腔瘤,表现出了优秀的抑瘤效果。其成果发表于《Adv. Funct. Mater.2017》 期刊杂志上。同时,利用肿瘤细胞内含有大量的酯酶而成纤维细胞含有酯酶少的特点,邱娜莎博士合成了一种酯酶响应型阳离子聚合物。利用肿瘤不同细胞内酯酶含量的差异来实现基因在不同肿瘤细胞中的选择性释放与表达。提出了一种全新的肿瘤细胞选择型基因治疗方法,也证实对肿瘤细胞无损害的肿瘤治疗方式具有更好的愈后效果。成果发表于《Advanced Materials 2017》期刊杂志上。

  以科技造福人类,创新永不止步

  基因治疗是当代生物医药技术中最有潜力的热点之一。对于现阶段核酸纳米载药系统的研究瓶颈,我们首先要做到知己知彼,继续研究肿瘤的发生发展机理,同时通过进一步利用纳米技术调控载药系统的尺寸、电荷性质、稳定性等纳米特性,提高载药系统的肿瘤靶向效率与细胞内转染效率,显著提高核酸药物在肿瘤内的转染效率,突破其应用瓶颈。以期减少癌症治疗痛苦,延长肿瘤患者的生存时间,提高癌症治疗水平。

  路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!