中南大学湘雅医院发现可以抗非小细胞肺癌的新型纳米药物
近日，中南大学湘雅医院研究团队在国际期刊《Small》发表学术论文“Disruption of Iron Homeostasis to Induce Ferroptosis with Albumin-Encapsulated Pt(IV) Nanodrug for the Treatment of Non-Small Cell Lung Cancer”。该研究基于铂(IV)药物和纳米递送系统构建了一种新的白蛋白包封铂(IV)纳米药物(HSA@Pt(IV))。纳米药物的表征和生物学实验证明了其良好的给药和抗肿瘤作用。转录组和离子组的多组学分析表明，纳米药物可以通过影响非小细胞肺癌细胞内铁稳态来激活铁死亡。本研究为HSA@Pt(IV)作为一种具有临床应用潜力的纳米药物提供了实验证据。
研究背景
癌症是危害人类健康的一个严重而持久的问题。然而，仍然缺乏足够的治疗和预防方法。目前，手术、化疗、放疗、免疫治疗和靶向治疗是癌症患者的治疗策略。自1978年获批以来，铂(Pt)一直被用作抗癌药物，如临床上经典的以铂为基础的二价药物顺铂。40多年后，即使在精准医疗和免疫治疗的时代，基于Pt的药物仍然是应用广泛的抗癌药物之一。然而，目前基于Pt的药物在临床中存在两个主要障碍:(a)严重的副作用。(b)耐药导致疗效差。
考虑到Pt(II)类药物的临床缺陷，科学家们将重点放在了Pt的结构变化和给药系统上。一方面，经典的四价Pt(Pt(IV))药物(Pt(II)被氧化为Pt(IV))，具有稳定性高、易于结构修饰的优点。四铂、依普铂、沙特铂和LA-12是经典的铂(IV)药物，并在临床试验中进行了分析。然而，一些研究表明这些药物有很大的副作用。另一方面，纳米药物的出现给基于pt的药物提供了一些线索。由于肿瘤组织的渗透性和滞留性(EPR)增强，纳米颗粒容易在肿瘤组织中积累。纳米药物还具有药物作用时间延长、副作用小、载药范围广等优点。据报道，纳米铂药物NC-6004在I期临床研究中具有优异的耐受性，并且没有引起显著的肾毒性。另一项研究在动物实验中证实，脂质体顺铂纳米颗粒脂铂具有较低的药物毒性。
白蛋白是血浆中重要的蛋白质之一。白蛋白在人体内的存在可以注入大量的白蛋白且身体没有或低副作用。与许多蛋白,白蛋白是一个非常稳定和有效的蛋白质,即使是在广泛(pH值4 - 6)和长时间在高温(> 10 h在室温> 60°C),仍然活跃在有机溶剂。此外，白蛋白纳米颗粒具有生物相容性、免疫原性和生物可降解性，且安全性高、毒性小。
研究过程及发现
以Pt为基础的药物在肿瘤中应用广泛。其中，顺铂是经典的Pt(II)药物，是NSCLC常见的化疗药物。顺铂作为一种广谱抗癌药物，在临床上存在两大缺陷，即无靶向性和耐药。近期的研究表明，Pt(IV)药物通过其亲脂性、氧化还原稳定性、正交生物活性等在肿瘤部位获得有限的摄取能力。因此，纳米pt (IV)药物递送系统应运而生。纳米粒子利用肿瘤组织中的EPR效应，使其在肿瘤中积聚的可能性更高，使药物本身具有靶向性，从而大大增强了药物的作用。研究人员目前已开发出部分Pt(IV)药物和纳米Pt(IV)药物，并显示出应用潜力。
研究团队还成功构建了一系列不同结构的纳米药物，并在多种癌症中验证了其抗肿瘤作用和机制。虽然Pt(IV)前药在体外表现出良好的细胞毒性，但其溶解度和肿瘤蓄积不如纳米药物。为了解决这个问题，研究人员进一步用HSA包裹了Pt(IV)前体药物，从而得到了HSA@Pt(IV)纳米药物。在对HSA@Pt(IV)进行表征之后，研究人员着重评估了其稳定性和体内蓄积效应。激励人心的是，ICP-MS和荧光成像实验的数据证实，HSA@Pt(IV)在体内和体外均表现出出色的药物递送能力。随后，HSA@Pt(IV)的药物作用在免疫激活和免疫缺陷小鼠中得到证实。此外，与顺铂相比，HSA@Pt(IV)具有更好的抗肿瘤效果和更低的副作用，体现在对小鼠体重的影响更小和更安全的有效剂量。这也意味着Pt蓄积导致的肾毒性和耳毒性的风险将大大降低。这些均提示HSA@Pt(IV)具有作为新型抗肿瘤药物的潜力。
而且，研究人员通过转录组和离子组分析探索了HSA@Pt(IV)的抗癌机制。考虑到铂是一种金属基药物，它有可能影响细胞内金属元素的稳态。为了研究这一点，研究人员进行了离子组学分析，以评估HSA@Pt(IV)处理后的金属元素分布。结果显示，HSA@Pt(IV)处理除使Pt水平升高外，还使Fe水平升高，Zn水平降低。研究发现，顺铂对成年雄性大鼠肾脏中Cu和Zn的正常积累有抑制作用。另一项研究显示，顺铂治疗后肝脏锌水平降低。此外，据报道，顺铂处理的人脐静脉内皮细胞显示细胞内游离锌降低，补锌有效降低顺铂诱导的内皮通透性和活化内皮细胞对U937单核细胞的粘附。研究结果还表明，基于pt的抗癌药物降低了小鼠肾脏和肝脏中的锌水平。这些研究都观察到一个有趣的现象，即基于pt的药物导致Zn减少。然而，对于这一机制仍然缺乏解释。
一些研究还观察到基于pt的药物对铁稳态的影响，包括影响组织和血清中的铁水平。研究证明，基于pt的药物导致培养耳蜗外植体细胞内和线粒体Fe2+的时间依赖性增加。另外，通过对富含铁稳态、谷胱甘肽过氧化物酶活性和脂质氧化的转录组数据进行GSEA通路分析，提示HSA@Pt(IV)的机制可能与铁稳态有关。谷胱甘肽已被广泛报道为铁下垂途径的抑制剂。在本研究中，使用100µm L-BSO(无细胞毒性)来探索谷胱甘肽消耗对药物效应的影响。研究数据证明HSA@Pt(IV)可以诱导铁下垂，GSH的消耗可以提高HSA@Pt(IV)的药效。有趣的是，之前的另一项研究也通过RNA测序发现了不同结构的纳米pt (IV)药物影响铁死亡途径，并得出了与研究人员相同的结论。目前的研究，连同以往的研究，证明了铁下垂在纳米PT(IV)药物的机制中的重要作用。
HSA@Pt(IV)诱导铁下垂
研究意义
综上，研究人员通过体内外多组学(转录组和离子组)分析，探索了HSA@Pt(IV)这种新型纳米药物的作用和机制。研究发现，与Pt(II)相比，HSA@Pt(IV)作为一种纳米递送系统，通过影响细胞内铁稳态来诱导NSCLC的铁死亡，具有更好的药物效果。本研究为HSA@Pt(IV)在癌症治疗中的潜力提供了强有力的证据，并启发了其他癌症药物的优化策略。
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