Nature Materials：挑战传统! 临床30年后，肿瘤纳米给药机制新发现！
Natt
2020-01-16
第一作者：Shrey Sindhwani, Abdullah Muhammad Syed
将抗癌剂成功递送至实体瘤对于其成功治疗和诊断至关重要。众所周知，对于工程纳米材料，纳米颗粒穿过肿瘤血管的中心法则是利用内皮细胞之间的间隙（内皮间隙），这些间隙是在血管生成过程中形成的。发现这些间隙的最大尺寸范围为2,000 nm。工程师和科学家皆以此为依据设计小于该尺寸的颗粒，期望它们被动进入肿瘤并积累足够的量。1986年，Jain和Maeda的研究小组独立地证明了蛋白质和染料可以在VX2肿瘤和S180腹水肿瘤模型中积累，从而确立了纳米颗粒给药的原理。1998年，Jain的研究小组将这种工程材料在肿瘤中积累的增加归因于内皮细胞之间的间隙。证明这一点是通过将不同大小的脂质体注射到小鼠肿瘤模型中以确定累积的大小范围，并使用透射电子显微镜观察一些间隙得到的。这些大的可渗透间隙的存在的报道，以及合成和调整纳米颗粒尺寸和形状的方法的发展，推动了癌症纳米医学领域长达三十年。但是，经过30年有限的临床转化，该领域再次质疑这些机制。有鉴于此，加拿大多伦多大学Warren C. W. Chan等人探讨了纳米颗粒肿瘤渗透的现象，并质疑了纳米颗粒进入实体瘤的机制。该课题组发现内皮间隙并不是纳米颗粒进入实体肿瘤的原因。取而代之的是，发现多达97％的纳米颗粒是通过内皮细胞的主动过程进入肿瘤的。当前的范例是泄漏的血管具有间隙以允许纳米颗粒进入肿瘤。研究人员首先研究了肿瘤血管间隙的频率。通过TEM分析，在U87-MG肿瘤血管切片中观察到总共有21个间隙。还研究了不同的肿瘤模型（4T1乳腺癌，MMTV-PyMT乳腺癌，PDX乳腺癌（患者）），在所有类型的肿瘤中，间隙的发生频率都很低，有313条血管中，只发现了26条间隙，而且只有7个是内皮间间隙，而其余19个是跨细胞通道。另外，还使用三维显微镜对大体积的脉管系统进行评估，同样证实了其间隙很少。然而，通过数学模型和ICP-MS进行对比，发现肿瘤的间隙比所观察到的纳米粒子积累所需的间隙要少60倍。由于TEM分析和模拟实验表明，肿瘤血管大部分是连续的并且没有足够的间隙来解释纳米颗粒肿瘤的聚集，因此研究了纳米颗粒外渗的其他机制。接下来，研究人员探索了纳米颗粒外渗的跨内皮途径。转胞吞作用是一种代谢活跃的过程，需要内皮细胞重新排列其细胞骨架和细胞膜。这包括形成可以吸收纳米颗粒的囊泡、形成隔膜或通过细胞质运输。研究人员再次通过TEM和三维显微镜分析跨内皮途径。分析得出两个结论：(1) 间隙很少沿着肿瘤血管出现。(2)纳米颗粒可以通过跨内皮途径利用主动转运进入实体瘤。由此产生疑问：究竟是哪种机制（间隙的被动转运，还是跨内皮途径的主动转运）是进入肿瘤的主要方式？为了探索哪种机制为主导地位，研究人员通过开发一个称为Zombie的模型，保留了小鼠的血管结构。该模型通过抑制跨内皮主动转运过程而保留间隙被动转运，从而探索何者为主导机制。模型通过以下结果进行了验证：（1）在肌肉和皮肤等组织中未产生新的间隙；（2）肾间隙保持其大小；（3）肝窦内皮细胞间隙保持开放状态，可进行纳米颗粒积累。研究人员通过使用ICP-MS、TEM和三维成像在活体和Zombie模型中，对纳米颗粒肿瘤累积进行探究。结果表明：活体对照组的肿瘤比间隙组的要高，只有少部分纳米粒子是通过间隙被动输送到肿瘤部位，仅占3-25%（有大小依赖性）。因此，纳米颗粒进入的主要机制是跨内皮。研究人员对外渗的纳米粒子的位置与主动跨内皮或被动间隙为基础的运输途径之间的相关性进行测试。通过测量渗出的纳米颗粒的数量和血管特征（紧密连接、膜孔、囊泡与内皮间隙和跨细胞通道），发现：外渗的AuNPs与紧密连接的相关性最强，该区域是管腔的最薄部分，这可能允许通过形成囊泡和膜孔的内陷进行运输。而纳米颗粒外渗与任何类型的间隙均不显著相关。因此，该实验结果也支持跨内皮途径作为纳米颗粒渗入肿瘤的主要途径。另外，研究人员还使用活体显微镜观察了纳米颗粒外渗的动态过程。观察到纳米与内皮细胞之间共定位的信号点，研究人员将其归因于在内皮细胞附近发生的胞吞作用的渗透的不同阶段，如摄取，囊泡定位和进入肿瘤间质。综上所述，研究人员发现纳米颗粒运输的主要机制是一个主动过程，而不是被动过程。这些结果挑战了我们目前开发癌症纳米药物的理论基础，表明了解这些主动的途径将开启增强肿瘤积聚的策略。这可能会导致辩论、讨论和研究，其目的应在于完善和操纵特定的主动运输机制。（1）需要确定驱动纳米颗粒向实体瘤运输的分子机制；（2）需要了解表面吸附蛋白在纳米颗粒与肿瘤内皮细胞相互作用中的作用;（3）可以设计策略来操纵肿瘤内皮以增强纳米颗粒的跨内皮运输；（4）需要阐明不同的肿瘤血管类型和不同的跨内皮途径相对于不同的纳米颗粒大小、形状和表面化学在外渗中的作用；（5）还需要了解免疫细胞和其他产生瞬时渗透性的细胞的作用。这些研究将填补我们对纳米颗粒进入肿瘤的理解中的空白，并能够制定策略来克服癌症纳米药物临床转化的不足。Sindhwani, S., Syed, A.M., Ngai, J. et al. The entry of nanoparticles into solid tumours. Nat. Mater. (2020)doi:10.1038/s41563-019-0566-2https://doi.org/10.1038/s41563-019-0566-2
