吴伟教授团队提出“魔术贴”式多键效应增强主动靶向效率新策略

　　

       近期，复旦大学吴伟教授团队在《Journal of Controlled Release》期刊2023年第354期上以“Hook&Loop multivalent interactions based on disk-shaped nanoparticles strengthen active targeting”为题，发表了研究论文。

       靶向药物递送系统（Targeted drug delivery systems, TDDS）的研究与开发在过去的几十年里发展迅速，并已催生了多个里程碑式的产品，如阿霉素脂质体、紫杉醇白蛋白纳米粒等，在临床治疗中发挥了极为重要的作用。TDDS一般分为被动与主动TDDS，已上市的产品均为被动TDDS，并且数量有限，尚未有主动TDDS成功上市，这与庞大的研发投入以及指数级增长的出版物数量形成鲜明的对比。造成主动TDDS转化率低的原因是多方面的，其中靶向效率不高是最主要原因之一。

       针对于此，该团队通过改变纳米载体的形状，建立载体与靶细胞之间的多键效应，从而增强配体/受体结合力，提高主动靶向效率。多键效应在许多生命过程中均发挥着十分重要的作用，病原体的侵入也是建立在多键效应的基础上的。研究表明，提高载体表面配体密度以及改变载体的形状（如球状?棒状）可在一定程度上增强基于多键效应的配体/受体相互作用。受此启发，该研究利用盘状纳米载体，最大程度地利用多键效应来提高纳米药物载体与靶细胞的结合力，提高靶向效率。研究过程中，比较了三种不同形状的纳米粒，即球形、棒状、盘状纳米粒的靶向性。理论上，从球形到棒状再到盘状，纳米粒与细胞膜之间的相互作用存在从“点”到“线”再到“面”的递进。显而易见，基于“面”的结合更有利于多键效应的发挥。这与日常生活中常用的“魔术贴”的原理有异曲同工之妙。魔术贴的两个黏合面上分别设计了众多的“钩”（Hook）和“环”（Loop），面面结合时，数个钩和环相互作用，将两个面牢固地黏贴在一起。故有此比喻。

不同形状的叶酸修饰主动靶向介孔硅纳米粒设计原理与制备流程以及与细胞膜表面受体“魔术贴”式多键相互作用示意图

        该研究的基本设计原理如图1所示。该研究中采用模板法制备了具有显著形状区分的介孔硅纳米粒（mesoporous silica nanoparticles, MSN），将模型药物阿霉素包载在介孔硅中；外部包被红细胞膜，一方面赋予MSN长循环效应，另一方面为纳米粒表面配体修饰提供锚定点；以叶酸-PEG-DSPE嵌入红细胞膜的方式对MSN进行叶酸配体修饰。最终制备的不同形状的叶酸修饰MSN分别简称为FRMSN-S、FRMSN-R、FRMSN-D，其中“F”、“R”分别代表“叶酸修饰”、“红细胞膜包被”，后缀“S”、“R”、“D”分别代表“球形”、“棒状”、“盘状”。各种类型的MSN的扫描与透射电镜照片如图2所示。球形MSN的粒径约为230nm，棒状MSN的长、短径分别约为220nm、80nm，盘状MSN的直径、厚度分别约为210nm、30nm。

 不同形状的MSN的扫描与透射电镜照片

       通过Western blot、细胞免疫荧、流式细胞、激光共聚焦显微镜、生物透射电镜分析等技术验证了基于纳米粒形状的多键效应，FRMSN-D由于其扁平圆盘结构，与细胞结合时是以“面”接触，配体-受体的接触面积最大，从而盘状粒子所形成的多键效应强于棒状和球形结构。利用生物分子相互作用分析仪定量分析不同形状的粒子与叶酸受体蛋白的结合力，进一步证明盘状粒子与叶酸受体的配体-受体结合力明显强于棒状和球形粒子，能够最大程度地发挥多键效应的优势。

不同形状的FRMSN与RMSN与K562和A549细胞结合效率测定

       通过CCK-8法验证了FRMSN-D抑制癌细胞增殖的能力最佳。通过Annexin Ⅴ-FITC试剂盒检测不同载药粒子使K562细胞发生凋亡的差异，结果表明FRMSN-D的早凋细胞和晚凋细胞比例明显高于FRMSN-S和FRMSN-R，促使大量细胞进入早凋状态；通过碘化丙啶染色法检测不同粒子对K562细胞周期的影响，FRMSN-D制剂组的G2/M期细胞比例有所降低，表明凋亡细胞主要来自G2/M期细胞，盘状纳米粒能够有效加速癌细胞凋亡。CML小鼠模型上对载阿霉素的FRMSN-S、FRMSN-R、FRMSN-D治疗CML的疗效进行了评价。其中盘状纳米粒可显著延长CML小鼠的生存期并维持体重相对稳定。结束治疗一周后，FRMSN-D组小鼠的CD45+细胞比例仅为3.38 %，明显低于其他两种制剂组和DOX溶液组。FRMSN-D组的癌细胞侵袭程度最低，基本未见明显的肿瘤细胞，少见粒细胞浸润。

不同形状的纳米粒与细胞作用的生物电镜照片以及与叶酸结合蛋白的结合速率常数测定

       综上，该研究验证了盘状纳米粒与靶细胞之间基于形状的多键效应，结果表明盘状结构有利于增强配体与受体间的多键效应，提高靶向效率，为后续设计开发具有高靶向能力的主动TDDS提供了思路。

       原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.01.022