干细胞膜包被共载姜黄素及siSTAT3纳米粒子在骨肉瘤中的治疗作用及机制研究

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骨肉瘤是常见的原发性恶性骨肿瘤之一,具有高度转移性和局部侵袭性,常累及长骨干干骺端。骨肉瘤对化疗的耐药性和选择性较差,近几十年来化疗在治疗效果方面一直没有显著进展。随着对骨肉瘤机制的研究不断深入,对关键基因在骨肉瘤发生发展中发挥重要作用已经形成新的共识,从而使治疗策略转向了化疗联合基因治疗的策略。姜黄素(Curcumin,CUR)是一种天然酚类物质,已被证实在多种肿瘤如乳腺癌、前列腺癌、骨肉瘤、肺癌等中发挥着显著的抗癌效果。但其疏水性及不稳定性导致其生物利用率低。同时,信号转导和转录激活因3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)在多种恶性肿瘤组织中持续激活高表达,并被证实可以通过调节上皮-间充质转化相关蛋白(如E-cadherin蛋白、N-cadherin蛋白和vimentin蛋白)来调控骨肉瘤细胞的迁移和侵袭。常用的基因沉默工具si RNA,由于其在循环中稳定性差且容易被内源性核糖核酸降解等性质限制其在临床中的应用。聚多巴胺纳米粒子(polydopamine,PDA)纳米粒子作为一种广泛应用的生物材料,具有突出的黏附性、亲水性、稳定性和生物相容性。此外,由于其含有多种邻苯二酚和氨基官能团,可以搭载化疗药物和不稳定的si RNA,促进其进入实体肿瘤细胞并避免被细胞内溶酶体降解,还可以减轻化疗药物的副作用,延长药物的半衰期,从而显著提高抗癌效果。但是,纳米粒子在肿瘤组织中的扩散效率较低,且易被网状内皮系统(reticuloendothelial system,RES)识别和清除,导致免疫排斥。为了解决这个问题,生物包膜被用于修饰纳米粒子表面,可以提高纳米粒子的生物相容性和肿瘤靶向性。人脐带间充质干细胞具有免疫原性低、循环时间长、靶向能力强和受体整合等特点,并且可以通过滚动、捕获、黏附和穿越上皮层细胞等方式迁移到肿瘤组织。同时,干细胞膜(stem cell membrane,SCM)在提取过程中保留了其低免疫原性和肿瘤归巢等作用的相关表面蛋白,SCM伪装的纳米粒子结合了细胞膜和纳米粒子的优点和特性,进一步提高了纳米粒子在肿瘤中的治疗功效。本研究旨在设计并合成一种SCM伪装修饰共载CUR和si STAT3的PDA纳米颗粒子(CPDA/si STAT3@SCM),以达到化学-基因联合治疗骨肉瘤,诱发骨肉瘤细胞发生凋亡的同时,抑制其上皮间质转化的进展,为骨肉瘤患者提供更加有效的治疗策略。本研究分以下两个部分:(一)我们首先利用盐酸多巴胺在弱碱性水相中氧化自聚合成PDA纳米粒子,并成功搭载CUR和si STAT3。通过紫外-可见吸收光谱,红外吸收光谱,荧光酶标仪检测等实验验证,证实成功合成了CPDA/si STAT3纳米粒子,并检测出平均载药率为9.48±0.73%。然后,我们提取了人脐带间充干细胞,使用超声法及挤压法获得干细胞膜并对CPDA/si STAT3纳米粒子进行伪装包裹构成CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子。通过透射电镜、水合粒径以及Nano Sight检测得出CPDA/si STAT3@SCM的水合粒径在117±9 nm。同时,细胞共定位实验证实其可以被骨肉瘤细胞识别并吞噬,其结构在被细胞摄取后一段时间内保持完整。考马斯亮蓝染色实验结果表明在制备过程中间充质干细胞膜蛋白几乎没有发生结构的破坏,保留了间充质干细胞膜表面的功能蛋白。我们通过检测p H敏感性药物释放能力也发现,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子具有良好的p H依赖性的药物累积释放能力,有效提高肿瘤部位的循环药物浓度。体外靶向实验也证明,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子保留了MSC表面膜的肿瘤归巢能力,增强纳米粒子的肿瘤靶向能力。体外安全评价证明CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子具有免疫逃逸能力,能够逃避巨噬细胞的吞噬,且在血液中具有较小的纳米毒性和良好的血液相容性及生物安全性。(二)我们依次使用CCK-8、克隆实验、活/死染色、流式细胞术、细胞划痕实验、Transwell实验等方法检测PBS、游离CUR、CPDA、PDA/si STAT3、CPDA/si STAT3、CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子对骨肉瘤MG63、HOS细胞增殖、凋亡、迁移以及侵袭的影响,结果表明,相比其他各组,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子具有显著抑制骨肉瘤细胞的增殖、迁移以及侵袭能力,及促进骨肉瘤凋亡的能力。同时,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子可以有效的将STAT3 si RNA转染到骨肉瘤MG63、HOS细胞中,其转染效率优于目前脂质体转染试剂的转染效率。凋亡相关蛋白的结果显示CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子较其他组相比,具有显著的Bax、Bad、Cleaved-caspase3蛋白促进能力以及Bcl-2蛋白的抑制能力。最后,EMT相关蛋白结果证实CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子诱导骨肉瘤细胞中间质相关标记蛋白N-Cadherin和Vimentin及细胞间质金属蛋白酶MMP9的表达下调,上皮相关蛋白E-Cadherin的表达上调,表明CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子有效抑制骨肉瘤细胞的上皮间质转化的进展。然后,我们进一步建立了MG63荷瘤小鼠皮下移植瘤模型,评估CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子在体内的治疗作用。H&E、Ki67、TUNEL切片染色结果表明,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子组坏死组织面积最大,并显著地抑制肿瘤组织的增殖,促进肿瘤组织的凋亡。STAT3免疫组化切片结果表明,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子组的STAT3表达水平最低。小鼠体内的生物分布实验也说明,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子在肿瘤部位聚集最多,这是因为SCM的伪装可以增强纳米粒子靶向肿瘤部位的能力。CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子处理组小鼠肿瘤组织中的BAX蛋白表达最高,Bcl-2蛋白表达最低,提示其可以促进骨肉瘤荷瘤小鼠肿瘤组织的凋亡过程。同时,CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子处理组中E-Cadherin蛋白表达最高,N-Cadherin蛋白表达最低,提示其通过EMT过程抑制骨肉瘤荷瘤小鼠肿瘤组织中迁移及侵袭进展。最后,将各组小鼠的主要脏器组织进行H&E染色,并验证其相关血清生化指标。结果表明合成的CUR和STAT3 si RNA共递送系统CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子在骨肉瘤荷瘤小鼠治疗期间具有良好的生物安全性。在本研究中,我们成功制备了脐带间充干细胞膜伪装搭载CUR和STAT3si RNA的聚多巴胺纳米粒子(CPDA/si STAT3@SCM),并对其进行了一系列的表征检测,证实该纳米粒子具有较好的生物安全性、高效的基因敲除率、肿瘤靶向性及免疫逃逸的能力。并证实了CPDA/si STAT3@SCM纳米粒子能够显著抑制骨肉瘤细胞的增殖,迀移、侵袭和EMT进展,并促进骨肉瘤细胞凋亡,为骨肉瘤患者提供了一种有前景的治疗选择。
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