陈学思院士团队Biomaterials：多肽-地塞米松结合物用于抗肿瘤治疗

NanoLabs

2019-12-19

第一作者：Sheng Ma

通讯作者：陈学思，宋万通

通讯单位：中国科学院长春应用化学研究所

研究亮点：

1. 开发了一种pH和氧化还原双重响应性多肽-地塞米松结合物，用于抗肿瘤治疗和调节肿瘤微环境。

2. 多肽-地塞米松结合物能显著抑制小鼠体内肿瘤生长。

3. 多肽-地塞米松结合物可以逆转肿瘤免疫抑制微环境。

背景介绍：

炎症，尤其是慢性炎症，是肿瘤发生的重要原因，并随着肿瘤的发展而发挥不同的功能。研究表明，肿瘤微环境(TME)不仅由肿瘤细胞构成，还包含间质细胞(包括内皮细胞、成纤维细胞和炎症细胞)。其中某些炎症细胞，如肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)，通过分泌生长因子促进肿瘤细胞增生，分泌血管内皮生长因子(VGF)促进血管生成，分泌基质金属蛋白酶(MMPs)促进肿瘤转移和侵袭，分泌各种免疫抑制细胞因子抑制获得性免疫。此外，据报道，一些炎症细胞与耐药性有关。因此，减少炎症的免疫调节可能是重塑TME用于癌症治疗的重要策略。

抗炎药物已应用于临床癌症预防，在抑制肿瘤发展、对抗化疗耐药、降低癌症发病率和提高癌症患者存活率方面也显示出效果。然而，非甾体抗炎药、类固醇和他汀类药物有各种副作用，这些副作用阻碍了它们在癌症治疗中的充分应用。

近年来，基于纳米技术的给药系统在改善化疗药物水溶性，延长血液循环时间，调节生物分布和减少副作用方面已被广泛探索。刺激响应型药物递送系统可以通过减少正常组织中不必要的药物释放和促进肿瘤内的快速释放来进一步提高药物递送效率。然而，这种刺激响应型药物输送系统用于癌症治疗的报道仍然很少。

成果简介：

有鉴于此，中科院长春应用化学研究所陈学思、宋万通等人开发了一种pH和氧化还原双重响应性多肽-地塞米松结合物(L-SS-DEX)，用于抗肿瘤治疗和调节肿瘤微环境。多肽因其良好的生物相容性、低毒和多功能而被选为该研究的骨架材料。L-SS-DEX在缓解免疫抑制的TME方面表现出巨大的潜力，治疗效果优于游离DEX。这些结果为抗炎药物在肿瘤治疗中的应用提供了新的可能性。

 图1. L-SS-DEX调节肿瘤微环境的示意图

要点1： L-SS-DEX的自组装和体外药物释放

由于具有两亲性， L-SS-DEX易溶解在PBS中并组装成胶束。L-SS-DEX胶束的纳米尺寸有助于其通过EPR效应在肿瘤组织中更好地蓄积。L-SS-DEX胶束在pH 5.0时的释放速度比pH 7.4时快，证明L-SS-DEX具有酸触发释放的能力。在GSH存在下，二硫键被切断，暴露的硫醇基团与羰基相连以释放药物。以10 mM GSH为引发剂，pH为7.4时，L-SS-DEX胶束中DEX的释放率达66%以上。上述结果证明了pH和GSH的双重刺激可使DEX从L-SS-DEX中释放。

 图2. L-SS-DEX的体外释放研究

要点2： L-SS-DEX的体外细胞毒性和细胞摄取

采用MTT法检测L-SS-DEX对CT26小鼠结肠癌细胞的体外细胞毒性。与游离DEX相似，L-SS-DEX对CT26细胞无明显的细胞毒副作用。FITC标记的L-SS-DEX用激光共聚焦扫描电镜(CLSM)评价其细胞摄取情况，结果显示L-SS-DEX可被肿瘤细胞内吞。

图3. 体外细胞毒性和细胞摄取研究

要点3： L-SS-DEX药代动力学研究和小鼠体内生物分布

与游离DEX相比，L-SS-DEX胶束可延长血液循环时间。注射后12h，游离DEX迅速从血液循环中清除。表明L-SS-DEX与游离DEX相比具有更长的半衰期和更好的生物利用率。

静脉注射一次后，L-SS-DEX组肿瘤组织中DEX的蓄积量明显高于游离DEX组，表明L-SS-DEX比游离DEX具有更好的肿瘤聚集能力。另外，L-SS-DEX在主要脏器的蓄积量高于游离DEX，可能与L-SS-DEX循环时间延长有关。但L-SS-DEX在主要脏器中的浓度随时间增长呈下降趋势，表明L-SS-DEX可从肝、肾等脏器中去除。

图4. 生物分布情况

要点4： L-SS-DEX的全身毒性以及抗肿瘤效果

L-SS-DEX治疗组与PBS组比较，血液学指标无明显差异，游离DEX显著降低白细胞数。表明L-SS-DEX在BALB/c小鼠体内的耐受性好于游离DEX。

与对照组结果相反，L-SS-DEX在整个治疗过程中显示出永久性的肿瘤抑制作用，另外，L-SS-DEX组在治疗期间无明显的体重下降，表明其可显著延长小鼠存活时间。 

图5. CT26肿瘤模型的治疗效果

通过组织学和免疫荧光分析、组织学分析和免疫荧光染色进一步评价其抗肿瘤活性、对肿瘤微环境的调节作用和治疗的安全性。与其他组相比，L-SS-DEX治疗组可观察到大面积坏死(尤其是肿瘤中心部分)。各治疗组主要脏器组织形态正常，未见病理异常，提示各治疗组无明显的全身毒性。

图6. 肿瘤的组织学和免疫荧光染色

要点5： 肿瘤免疫微环境评价

L-SS-DEX治疗后，环氧合酶-2(COX-2)和α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的表达较对照组明显降低。此外，经L-SS-DEX治疗后，CT26肿瘤的免疫抑制微环境得到有效缓解，表现为CD8⁺T细胞浸润增加，M1/M2巨噬细胞比值增加，调节性T细胞(Tregs)和髓源性抑制细胞(MDSCs)明显减少。

图7. 肿瘤免疫微环境评价

小结：

本研究开发了多肽-DEX结合物来中和促肿瘤炎症，用于结直肠癌治疗。该结合物表现出pH和氧化还原双重刺激响应释放DEX，并极大地促进了DEX在肿瘤组织内的蓄积。体内抗肿瘤研究表明，与游离DEX或不敏感的DEX结合物相比，多肽-DEX结合物对小鼠CT26肿瘤生长有明显的抑制作用，能显著增加CD8⁺T细胞浸润和M1/M2巨噬细胞比率，降低肿瘤内免疫抑制的MDSCs和Tregs含量。进一步分析表明，COX-2和PGE2的抑制可能是L-SS-DEX逆转肿瘤免疫抑制微环境的主要原因。

不得不提的是，中和促肿瘤慢性炎症的疗效可能与肿瘤类型有关。在大多数情况下，癌症发生在慢性炎症的部位，丰富的免疫细胞维持着免疫抑制的微环境，并刺激肿瘤细胞的增殖。因此，抗炎治疗有助于逆转免疫抑制的TME，从而抑制肿瘤生长。在其他情况下，如肉瘤，缺乏足够的免疫细胞浸润，增加免疫细胞浸润的策略是必要的，以刺激这些“冷”肿瘤变成“热”肿瘤。由于上皮细胞癌主要伴有慢性炎症，使用适当设计的抗炎药物制剂进行癌症治疗是一种很有前途的方法。

参考文献：

Sheng Ma, Wantong Song, Xuesi Chen, et al. Neutralizing tumor-promoting inflammation with polypeptide-dexamethasone conjugate for microenvironment modulation and colorectal cancer therapy,Biomaterials, 2019.

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2019.119676