Cover Story:刷状PEG聚合物上缀合的脂质影响淋巴结摄取和体内分布

文摘   科学   2024-05-30 11:48   四川  




近期,澳大利亚莫纳什大学药物科学研究所 Michael R. Whittaker和Natalie L. Trevaskis教授在《Journal of Controlled Release》期刊2024年第369期上发表了题为“Impact of conjugation to different lipids on the lymphatic uptake and biodistribution of brush PEG polymers”的封面论文





近二十年来,人们发现淋巴系统结构和功能的病理性变化会导致多种疾病,包括自身免疫病、心脏代谢疾病、感染和癌症[1]。淋巴系统在适应性免疫中发挥着不可或缺的作用,是疫苗和免疫疗法的关键靶点。因此,改善治疗性药物和疫苗在淋巴系统中的分布可能有助于减少药物剂量,避免全身毒副作用的发生,实现最大的治疗和生存效益。将纳米递送系统(纳米颗粒、脂质体、树枝状大分子等)或可以搭便车于内源性纳米载体(如白蛋白)的分子通过间质给药,可以实现外周淋巴管的有效递送。先前已发表的基于“搭便车”方法的工作主要集中在偶联白蛋白结合分子(例如脂质、伊文思蓝染料衍生物或肽)的疫苗在淋巴系统中的摄取或在淋巴结中的转运[2]。然而,它们进入淋巴液及在其中的转运机制,如与脂蛋白等其他内源性纳米载体的潜在相互作用在很大程度上被忽视了。

本研究中,作者评估了5种脂化刷状PEG聚合物与大鼠血浆中白蛋白和脂蛋白的结合情况。这些刷状PEG聚合物由不同的末端脂质元件组成:1C2(短链烃)、1C12(中链烃)、cho(胆固醇)以及含有2条中链(2C12)和长链的二酰基甘油(2C18)。研究进一步揭示了皮下(S.C.)给药后不同脂化聚合物在血浆和淋巴系统中的分布情况,该刷状聚合物有望作为功能性可调的平台,用于各种药剂和疫苗的淋巴结递送(图1)。



图1. 缀合不同脂质的刷状PEG聚合物在对白蛋白和脂蛋白的结合上表现出差异,进而影响淋巴系统的摄取和分布


缀合的脂质影响聚合物与淋巴液中蛋白的结合


脂化聚合物与进食(图2A)和禁食(图2B)大鼠淋巴液中蛋白的结合表现出一致的趋势,2C12-PEG与缺乏脂蛋白的淋巴液(LPDL)的结合明显较高,1C2-PEG明显较低。1C2-PEG和1C12-PEG与进食大鼠淋巴液中的高密度脂蛋白(HDL)的结合更高。2C18-PEG与低密度脂蛋白(LDL)的结合明显较低,但其与乳糜微粒/极低密度脂蛋白(CM/VLDL)的结合最高。1C2-PEG和1C12-PEG与CM/VLDL的结合均较低。研究人员推测2C12-PEG和2C18-PEG与CM/VLDL的高度结合可能影响了与其他组分的结合能力。


图2. 五种脂化聚合物与来自进食大鼠(A)和禁食大鼠(B)的不同淋巴组分的结合情况

LPDL:缺乏脂蛋白的淋巴液,HDL:高密度脂蛋白,LDL:低密度脂蛋白,CM/VLDL:乳糜微粒/极低密度脂蛋白。 


缀合的脂质影响聚合物在淋巴结中的摄取

实验结果表明,1C2-PEG(5.8%)、2C12-PEG(5.9%)和2C18-PEG(6.7%)在皮下注射后转运至淋巴结中的剂量百分比显著高于1C12-PEG(1.5%)和Cho-PEG(1.5%)(图3A)。作者进一步研究了各时间点聚合物在血浆及淋巴液中的分布。结果显示,在大多数时间点,淋巴结摄取高的3种聚合物(1C2-PEG、2C12-PEG 、2C18-PEG)在淋巴与血浆中的浓度比值均大于1(图3B),表明这3种聚合物是被直接摄取到淋巴结中,而不是通过血液循环转运至淋巴结。1C2-PEG较高的原因可能来源于其更易从注射部位吸收,而2C12-PEG和2C18-PEG的高摄取来源于其更高的亲脂性和与白蛋白的高亲和力。


图3. 五种脂化PEG聚合物经皮下(S.C.)给药后,(A)在淋巴结中的累积转运(%剂量)和(B)不同时间点时淋巴:血浆中的聚合物浓度比。


缀合的脂质影响聚合物的全身分布

每种聚合物在两个时间点(4 h和24 h)下,于组织和主要脏器中的分布有明显不同(图4)。具体表现为,4 h时,2C12-PEG主要在肾脏和脾脏积聚,与1C2-PEG和2C18-PEG相比, 1C12-PEG、Cho-PEG和2C12-PEG在肝脏的富集更多。24 h时,Cho-PEG在肝脏和心脏的分布最多,与1C2-PEG和1C12-PEG相比,2C18-PEG在肺部的分布更多。2C12-PEG在短时间(4 h)也检测到相对较高的肺部和脑部积聚。


图4. 皮下(S.C.)给药后4 h和24 h时,五种脂化聚合物在主要脏器的分布情况


同样地,研究人员观察到在注射部位及对侧皮肤、肌肉和脂肪组织中的摄取差异(图5)。主要表现为,相比1C2-PEG、1C12-PEG和Cho-PEG,2C18在注射后4 h时更多地保留在注射部位的皮肤中。此外,2C12-PEG在两侧肌肉中的分布均具有明显优势。


图5. 给药部位的皮肤(A)、对侧皮肤(B)、给药部位的肌肉(C)和对侧肌肉(D)的聚合物分布情况


缀合的脂质影响聚合物在引流和非引流淋巴结中的摄取

不同脂化聚合物在不同位置淋巴结中的分布结果表明,同侧淋巴结的聚合物摄取量均高于对侧淋巴结,说明它们直接进入注射部位的引流淋巴管中;而同侧腹股沟和腘窝淋巴结的聚合物量均普遍高于骼淋巴结,说明主要由腹股沟和腘窝淋巴结介导皮下制剂的摄取。此外,在注射后4 h时,2C12-PEG在同侧腹股沟和骼淋巴结的摄取显著高于1C2-PEG和2C18-PEG,24 h时Cho-PEG在同侧腘窝和腹股沟淋巴结的摄取最高。


图6. 给药后4 h和24 h时,小鼠淋巴结中五种脂化聚合物的分布情况

同侧(A)和对侧(B)腘窝淋巴结,同侧(C)和对侧(D)腹股沟淋巴结,同侧(E)和对侧(F)骼淋巴结。


缀合脂质的聚合物分布至引流淋巴结的深层部位

研究人员通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察了脂化聚合物在淋巴结中的分布情况,聚合物深入到淋巴结富含免疫细胞的皮质(B细胞区)和副皮质(T细胞区)(图7)。其中,2C12-PEG与CD3+ T细胞的结合显著高于2C18-PEG,而2C18-PEG与CD169+CD11+巨噬细胞的结合更多。这表明脂化聚合物具有传递亚单位疫苗和用于免疫疗法的潜力,可将疫苗、免疫制剂、化疗药物和抗感染药物递送至引流淋巴结深部区域,值得进一步研究。



图7. 皮下给药4 h后同侧淋巴结的代表性CLSM图像

T细胞(CD3,绿色),B细胞(CD45R,黄色),聚合物(Cy5,红色)和细胞核(DAPI,蓝色)


本研究表明,刷状PEG聚合物的脂质功能化直接影响其皮下注射后的内源性脂质转运途径(与白蛋白、脂蛋白的结合)、淋巴摄取和分布。2C12-PEG、 2C18-PEG 和1C2-PEG在皮下给药后具有较高的淋巴摄取,可以用于疫苗、诊断试剂和药物的淋巴系统递送,实现外周淋巴管相关疾病,如癌症、感染和自身免疫性疾病等的诊断/治疗。

研究亮点


  1. 脂化的刷状PEG聚合物在皮下注射后通过淋巴转运;
     
  2. 相比胆固醇和中烃链,缀合二酰基甘油和短烃链的聚合物能够更有效地在淋巴结中聚集;
     
  3. 脂蛋白和白蛋白的选择性转运驱动全身主要脏器和淋巴摄取的差异;
     
  4. 缀合脂质的刷状PEG聚合物能够到达淋巴结深处,接触深层的免疫细胞,具有疫苗和免疫治疗的潜力。

     

文章信息


Volume 369, May 2024, Pages 146-162


https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.03.032


作者信息



 通讯作者 





Mikey Whittaker,澳大利亚莫纳什大学药物科学研究所,高级研究员。Whittaker博士是高分子聚合技术和功能性材料合成/改性/表征方面的专家。他展示了使用这些材料形成功能性和智能化的聚合物材料以及具有精确结构和性能的杂化有机/无机纳米颗粒。他的跨学科研究专注于一系列高端技术,例如纳米药物(治疗性药物、DNA、RNA的递送,临床成像)、生物涂层和环境修复。

(信息来源:https://research.monash.edu/en/persons/mikey-whittaker)


Natalie Trevaskis,澳大利亚莫纳什大学药物科学研究所,淋巴医学实验室主任,药学院副教授。淋巴系统在膳食脂肪吸收、免疫反应和体液平衡方面具有重要的生理作用。Trevaskis博士的研究小组专注于了解淋巴功能障碍导致的关节炎、胰腺炎、神经炎症、动脉粥样硬化、肥胖和2型糖尿病等疾病的机制,以及设计向淋巴系统运输药物的递送系统以治疗这些疾病,包括口服脂质前药和非肠外纳米系统,如脂质体、脂蛋白模拟物和聚合物递送系统。

Trevaskis博士已在包括Nature Metabolism(2021),Nature(2020),Nature Nano(2020),Angewandte Chemie(2016)和Journal of Controlled Release(4次封面文章)在内的期刊发表超过65篇研究论文(引用>5000次,H因子27)。Trevaskis博士曾获得MIPS未来研究领袖奖(2018),澳大利亚生理学会AK Mclintyre奖(2015),Mollie Holman博士论文奖(2006)和莫纳什大学BPharm学生金奖(2001)。

(信息来源:https://research.monash.edu/en/persons/natalie-trevaskis)



参考资料



  1. T.V. Petrova, G.Y. Koh, Biological functions of lymphatic vessels, Science, 369 (2020), p. eaax4063.

  2. X. Wang, D. Chen, K. Huang, M. Li, C. Zhan, Z. Dong, T. Deng, K. Ren, Y. Qiu, Z. Zhang, Albumin-hitchhiking drug delivery to tumor-draining lymph nodes precisely boosts tumor-specific immunity through autophagy modulation of immune cells, Adv. Mater., 35 (2023), p. 2211055. 


供稿 | 孙银萍  
审校 | 孙欢利  
编辑 | 谢明心  


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