基于铜的金属有机骨架纳米给药系统的构建及抗肿瘤治疗的研究

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近年来有研究表明,美国食品药品监督管理局批准的戒酒药物双硫仑(Disulfiram,DSF)具有潜在的抗肿瘤活性。DSF的二硫代氨基甲酸酯(Dithiocarbamate,DTC)部分可以螯合二价金属离子,尤其是铜离子(Copper ions,Cu2+),以形成DSF/Cu复合物。据报道,该复合物可以与核蛋白定位因子4(Nuclear protein localization 4,NPL4)强烈结合并诱导其聚集,造成p97-NPL4-泛素融合降解蛋白1(Ubiquitin fusion degradation protein 1,UFD1)通路的严重破坏,导致错误的蛋白在肿瘤细胞内逐渐积累并促使细胞死亡。考虑到DSF的抗癌活性显著依赖于Cu2+的浓度,但内源性Cu2+的生物分布是微量的,因此可以考虑使用Cu2+补充策略最大程度地发挥DSF的作用。但是,这种全身性的铜给药可能会导致机体内的铜含量失衡,并导致不缺铜的癌症患者发生重金属中毒。此外,水溶性低、稳定性差以及体内代谢快等阻碍了DSF在体内的应用。因此,将DSF和Cu2+共同递送至肿瘤部位并同步释放进而原位生成DSF/Cu复合物是提高DSF化疗疗效的潜在策略。本课题采用由Cu2+和2-甲基咪唑(2-Methylimidazole,2-MI)组成的金属有机骨架(Metal-organic framework,MOF)为载体,在该MOF形成过程中将DSF包封在其空腔结构中,通过静电吸附作用在其表面包裹一层透明质酸(Hyaluronic acid,HA),最终得到DSF@HA/Cu-MOF纳米粒子(DSF@HA/Cu-MOF NPs)。该纳米给药系统由于HA的存在具有主动靶向肿瘤部位的能力,并在血液循环过程中能够保持稳定。一旦到达肿瘤部位,将通过肿瘤细胞表面CD44受体介导的胞吞作用被肿瘤细胞摄取,并在溶酶体透明质酸酶(Hyaluronidase,HAase)和低p H条件下降解。最终,DSF和Cu2+在细胞内肿瘤微环境中同时释放,并生成DSF/Cu复合物,该复合物将与肿瘤细胞内的p97-NPL4-UFD1通路上的NPL4靶点结合,从而最终诱导细胞死亡。通过透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、紫外可见光谱(UV-Visible spectrum,UV-Vis)和纳米激光粒度分析仪等方法表征了DSF@Cu-MOF和DSF@HA/Cu-MOF。结果显示,DSF@Cu-MOF平均粒径~300 nm,红外吸收可见光光谱(Fourier transform infrared resonance,FT-IR)和能谱仪图谱(Energy dispersive spectrometer,EDS)证实了DSF的成功负载,同时使用紫外分光光度计得到DSF的包封率和载药率分别为86.67%和54.17%。通过TEM、SEM、纳米激光粒度分析仪等方法对DSF@HA/Cu-MOF的进行考察,结果表明HA包裹后的纳米粒子大小均匀,粒径~300 nm,电位-25.4±1.5 m V。体外制剂的降解和药物释放等实验结果表明DSF@HA/Cu-MOF具有较强的酸响应性和HAase敏感性,具备肿瘤部位释放DSF和Cu2+并原位形成DSF/Cu复合物的能力,同时也证明了HA对DSF@HA/Cu-MOF起到了良好的保护作用。以过表达CD44受体的小鼠乳腺癌细胞4T1为模型,采用SRB法证实了DSF@HA/Cu-MOF对肿瘤细胞具有较强的杀伤作用,在各实验组中其IC50值最低,说明该制剂对细胞增殖的抑制效果最佳,而等剂量的空白载体HA/Cu-MOF对细胞几乎没有毒性,证明了该纳米制剂具有良好的安全性。通过激光共聚焦显微镜和流式细胞仪观察细胞对制剂的摄取及分布情况,结果显示,HA/Cu-MOF能够通过4T1细胞表面过表达的CD44受体介导的胞吞途径快速进入细胞,并通过质子海绵效应实现溶酶体逃逸逐渐释放出所负载的药物,从而发挥抗肿瘤效果。以4T1荷瘤小鼠为模型,对DSF@HA/Cu-MOF的体内肿瘤靶向性以及药效学进行了进一步考察。小动物活体成像仪采集小鼠的X-ray和荧光图像结果表明,IR783标记的HA/Cu-MOF在肿瘤部位具有良好的靶向性和滞留效果。通过HPLC检测给药后不同时间小鼠肿瘤组织内DSF/Cu复合物的含量变化,结果显示,随着给药时间的延长,DSF@HA/Cu-MOF组的DSF/Cu复合物瘤内浓度显著上升,并在给药后~12 h达到最大值,这充分证实了该制剂能够在肿瘤部位形成具有抗肿瘤效果的DSF/Cu复合物。药效学实验表明,DSF@HA/Cu-MOF对肿瘤的抑制率达到86%,要明显高于DSF/Cu复合物(52%)和DSF@Cu-MOF(61%)。H&E染色和TUNEL染色切片结果显示制剂组的肿瘤细胞出现大面积的质壁分离、坏死,并有明显的细胞凋亡现象。此外,治疗期间各组小鼠体重无明显变化,各项肝肾功能指标检测均在合理的范围内,但主要脏器的组织形态学结果显示游离CuCl2、DSF/Cu复合物以及DSF@Cu-MOF组由于Cu2+的存在和泄露会产生一定的心毒性,同时除DSF@HA/Cu-MOF组之外的各组均有一定程度的肺泡塌陷,相比之下DSF@HA/Cu-MOF纳米给药系统的各项结果均正常,在癌症治疗中具有极好的生物安全性。综上所述,DSF@HA/Cu-MOF纳米给药系统具有良好的肿瘤靶向性、生物安全性等特点。能够实现DSF和Cu2+的定点释放,通过原位生成DSF/Cu复合物来产生抗肿瘤效果,这在未来肿瘤治疗中具有广阔的应用潜力。
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