施剑林/陈雨等Angew：纳米老药用出新高度！巧妙的1+1>2肿瘤饥饿-化学疗法

奇物论

2020-04-03

临床状况

目前期望纳米药物能解决纯化疗药物的高毒副作用，但是，迄今为止，市场上还没有发现纳米药物表现出实质性的消除副作用。脂质体阿霉素（doxorubicin，Doxil）是1995年美国食品和药物管理局（FDA）批准的第一种癌症纳米药物，它也表现出与原始阿霉素（Dox）类似的明显的心脏毒性，尽管它已经商业化，但其长期的生物安全性问题尚未解决。

纳米药物递送效率低

当前大多数的纳米药物都通过静脉内给药，以通过EPR效应来促进肿瘤蓄积，但是，这种方法存在一些缺点，例如药物生物利用度低，研究表明，只有0.6%注射量到达肿瘤部位，经过改进之后（加上靶向），也只有0.9%，递送效率很不令人满意，以至于大多数有毒化学药物在血液循环中分布在正常组织中，导致严重的不良反应。

禁食能敏化肿瘤且保护正常细胞

有两项早期研究表明，禁食可显着延缓肿瘤生长，使一系列恶性细胞类型对化疗药物敏感，同时保护正常细胞。目前，禁食结合化疗进行癌症治疗已进入临床试验，这为提高纳米医学的治疗特异性和疗效提供了可能性，但是，禁食会使得患者很难忍受。因此，在减轻纳米药物副作用的同时，通过非饮食方法增加饥饿将是首选方法。

成果简介：

有鉴于此，中科院上海硅酸盐研究所施剑林院士和陈雨研究员等人结合临床状况，提出老药新用，即参考FDA批准的Doxil，通过在脂质体中共加载Dox和2-脱氧-d-葡萄糖（2DG）构建了复合脂质体纳米系统，这使得癌症和正常细胞之间的差异应激致敏能够用于肿瘤特异性化疗。

设计思路（画重点）

2DG是一种葡萄糖类似物，已在临床试验（I / II期）中广泛用作抗糖酵解剂。由于癌细胞非常依赖糖酵解来提供能量（“Warburg效应”），因此2DG通过阻止糖酵解ATP的产生，触发随后的差异性应激敏化过程，可以使其处于短期严重饥饿状态。

简单来讲就是，将Dox和2DG封装在一个单一的纳米系统中，

一方面，对于肿瘤，2DG饥饿肿瘤从而降低肿瘤耐药性，同步递送的Dox会因为饥饿肿瘤后，然后进一步放大其毒性。

另一方面，对于正常细胞，因为2DG会使得正常细胞同样处于饥饿状态，而这恰恰可以让正常细胞接触到该纳米系统时，开启了自我保护状态，从而大大降低了化疗药物对正常组织的伤害。

图1. 示意图

糖酵解抑制和差异应激致敏

1924年诺贝尔奖获得者Otto Warburg首次证明了改变的葡萄糖代谢是癌症的标志之一。正常分化细胞主要依赖线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP，而大多数癌细胞依赖于有氧糖酵解来提供能量，因此，肿瘤中糖酵解产生的ATP速率比OXPHOS快约100倍。

2DG是合成的葡萄糖类似物，其中C-2-羟基被氢取代。在癌细胞中，2DG被己糖激酶（糖酵解的第1步中的酶）磷酸化以形成2-脱氧-d-葡萄糖-6-磷酸（2DG-6-P），其不能进一步代谢但积累并抑制糖酵解的第1步和第2步（如图2所示）。因此，ATP的产生受到很大抑制，癌细胞严重缺乏能量。

因此，在该研究中，复合纳米系统中的2DG能够引发癌细胞的急性饥饿和随后在癌症和正常细胞之间的差异应激致敏。体外和细胞试验验证了该策略具有“1+1>2”的抗肿瘤作用

图2. 糖酵解抑制和差异应激致敏

线粒体对化疗的敏感性

为了进一步研究Lip-（2DG + Dox）的差异应激敏化作用的机制，研究人员进一步研究了糖酵解后指导癌细胞死亡的细胞途径。研究人员假设Lip-（2DG + Dox）组的超加性细胞毒性可能与糖酵解抑制后线粒体促凋亡途径的激活有关。线粒体跨膜电位（ΔΨm）是线粒体的一个显着特征，反映了它们的超极化或去极化。

因动态过程无法使用斯特方程计算ΔΨm，研究人员使用了5,5'，6,6'-四氯-1,1'，3,3'-四乙基苯并咪唑并咔啉氰化碘（JC-1）（一种J聚集形成的离域亲脂性阳离子）作为电位探针来半定量ΔΨm。细胞实验结果表明：糖酵解抑制作用可能导致线粒体超极化（图3 c中的途径1）。常规化学疗法可以触发线粒体去极化，从而促进细胞凋亡（途径2）。而对于结合组，由2DG触发的前者超极化（即敏化状态）有利于由Dox激活的后者超极化（激活状态），最终导致更明显的线粒体通透性转变（途径3）。

ΔΨm高的线粒体超极化可延长电子转移反应中间体在能够单电子还原O₂的位点的半衰期，从而使电子逸出以产生超氧阴离子（O₂^.−），从而通过增强癌细胞中的应激敏感性来增强Dox的化疗功效。研究人员使用DHE检测O₂^.−进行验证，结果表明2DG和具有Dox的氧化还原循环导致的线粒体超极化是两条平行的O₂^.−生成途径，并且可能与其他有利于最终线粒体失能的途径协同作用。

图3. 线粒体对化疗的敏感性

体内差异化疗效果

在体内试验中，同样证明了体内饥饿和化疗之间的协同作用，有利于体内额外的抗肿瘤作用。而且还证明了这种治疗方法的高度生物安全性。

图4.体内试验

小结：

总而言之，这种经过工程改造的纳米系统已经实现了显著改善的治疗效果，减轻了的副作用以及体内明显的转移抑制，除了广泛研究的Doxil的批准的生物安全性外，还具有很高的转化潜力。通过在正常细胞中选择性地提供保护，而不是通过化学药物对恶性细胞的常规毒性增强，这种差异应激敏化策略提供了一种增强癌症治疗的有前景的方法，这可能对未来的纳米药物设计非常有益。

参考文献：

Yang,B., Chen, Y. and Shi, J. (2020), Tumor‐Specific Chemotherapy byNanomedicine‐Enabled Differential Stress Sensitization.Angew. Chem. Int. Ed..

DOI:10.1002/anie.202002306

https://doi.org/10.1002/anie.202002306