寡肽修饰的工程化外泌体递送药物用于脑胶质瘤的治疗
文摘
科学
2024-05-15 15:14
四川
近期，南京中医药大学陈志鹏团队在《Journal of Controlled Release》期刊2024年第368期上发表了题为“Engineered exosomes with enhanced stability and delivery efficiency for glioblastoma therapy”的研究性论文。血脑屏障的存在为化学药物治疗胶质母细胞瘤带来了显著挑战。近来，外泌体作为一种药物递送至大脑的潜在工具得到了越来越多的关注。尽管如此，源自不同细胞的外泌体在大脑靶向的效能上存在显著差异，而药物在血液循环中的提前泄漏也削弱了其治疗潜力。鉴于此，研究团队设计了一种装备特定功能性寡肽修饰的、载有多柔比星的外泌体，旨在优化胶质母细胞瘤的治疗效果。在细胞选择方面，考虑到其优越的血脑屏障穿透性能，选用了BV2小鼠小胶质细胞作为外泌体的来源。为了减少药物在循环过程中的释放，研究人员设计了一种氧化还原敏感寡肽并将其融合至外泌体膜中，确保药物在循环期间得到有效“封锁”，并在到达脑部的胶质瘤微环境后得到释放。药效评估明确表明，这种创新的外泌体制剂不仅显示出了卓越的抗肿瘤活性，同时其生物安全性也得到了验证。这类具备氧化还原响应功能的寡肽修饰外泌体为治疗大脑相关疾病提供了一种创新且有效的药物递送策略。由于肿瘤位置以及经常出现的局部侵袭性生长，胶质母细胞瘤与高死亡率和不良预后相关，这对患者、护理人员和家庭造成了毁灭性的影响。对于刚被诊断的患者来说，最常见的治疗方法是手术，随后是放疗和化疗药物的联合治疗。由于血脑屏障（BBB）的存在，针对胶质母细胞瘤治疗的化学药物如替莫唑胺和多柔比星（DOX）的效果受到严重限制。BBB是由内皮细胞（ECs）、周细胞和星形胶质细胞组成的坚固屏障，保证了大脑环境的相对稳定，而BBB的这一特性也阻止了大多数治疗性药物进入大脑。从统计数据来看，超过98%的针对大脑疾病治疗的候选药物无法穿过BBB，因此，它们展现出低生物利用度和药物活性。目前，促进药物穿越血脑屏障（BBB）的方法大致可以分为两类：通过物理或化学手段暂时破坏BBB细胞之间的紧密连接，以及通过受体介导的药物运输策略。BBB细胞之间紧密连接的暂时破坏可能导致血浆蛋白质泄露入大脑，可能带来神经毒性等风险。使用受体介导的胞吞作用或细胞穿透肽修饰策略进行药物运输具有更好的安全性，已成为BBB通透性研究的热门话题。然而，如聚合物纳米颗粒和固体脂质纳米颗粒等改性纳米载体，在临床转化中面临三大问题，包括材料的细胞毒性、网状内皮系统（RES）或单核吞噬细胞系统（MPS）的快速清除，以及穿越BBB后药物的随机分布，这可能导致神经毒性风险。因此，对于一种低免疫原性方法的需求日益凸显，这种方法可以高效、安全地将药物准确地输送到大脑中，用于治疗胶质母细胞瘤。近年来，许多研究将外泌体应用为载体，特别是用于大脑疾病治疗的治疗性负载，这得益于它们渗透BBB的潜力。外泌体是细胞外囊泡（EVs），直径范围从30到150纳米。外泌体能够促进细胞间通信而无需直接的细胞对细胞接触，是重要的介质。由于外泌体为纳米级别且从人类或动物细胞中提取，它们表现出低免疫原性，因为它们很少被免疫细胞检测到。另外，外泌体包含一个亲水性核心，能够携带水溶性药物，如DOX。值得注意的是，李等人报告称，来自癌细胞的外泌体由于膜上独特的整合素表达模式会定位到肿瘤病灶，这表明了外泌体的归巢性质。外泌体的归巢效应是指外泌体被特异性运输回其来源细胞或某些特定目标细胞的能力。这一效应背后的机制是，细胞外囊泡在其表面表达特定的蛋白质或翻译后修饰模式，这些模式能特异性结合到目标细胞表面的受体上，从而使细胞外囊泡能被目标细胞识别和吸收。外泌体的归巢效应为细胞间传递信息提供了可能，允许其在癌症生物标志物检测和针对性药物或基因传递至细胞中的潜在应用。因此，来源于胶质细胞的外泌体可能是一种高效的用于胶质母细胞瘤治疗的药物传递载体。目前，将药物加载到外泌体中的方法包括外源性药物加载、内源性药物加载和转基因方法，所有这些方法都具有过早释放的限制，阻碍了药物在大脑中的富集。当膜载体，如外泌体，进入血液循环时，由于浓度梯度，包含的药物开始被释放，导致目标器官的药物浓度低。目前，防止纳米载体在循环中过早释放药物的策略主要包括增强载体稳定性和用稳定的化学键将药物与载体连接。然而，这些方法在病灶处的药物释放方面面临挑战。由于功能性寡肽在多样的生物活性、高生物相容性、可控释放特性和产生无毒代谢物等方面的优势，已经被广泛应用于纳米药物传递系统，以提高其生物利用度、靶向能力和药物活性。例如，研究者团队制备了一种新的自组装两亲性肽药物结合物，作为一种“二合一”纳米纤维系统，包括一个六肽作为基质金属蛋白酶抑制剂和用于治疗肝细胞癌的DOX。该系统具有持续的释放特性，并且具有高负载容量，适合肿瘤内给药。在目前的研究中，研究者首先提取了来自四种细胞系的外泌体，测试了它们穿透BBB的能力，并选定了来自BV2小鼠微胶质细胞的外泌体作为源。接下来，为了避免药物过早释放和增强在胶质母细胞瘤中的药物富集，研究人员设计并合成了三种功能性寡肽（Pep1、Pep2和Pep3），它们由亲水部分的连续赖氨酸残基和疏水部分的半胱氨酸残基组成，用于整合进BV2衍生的外泌体，以传递DOX用于胶质母细胞瘤治疗（图1）。寡肽中的半胱氨酸残基可以通过二硫键互相形成交联，从而锁定DOX，防止其释放到血液循环中。由于胶质母细胞瘤细胞内GSH浓度高，二硫键在还原作用下断裂，DOX从外泌体中在靶区域释放。这种设计具有方便的制备过程和良好的生物安全性，仅需简单的共培养方法即可调节药物从外泌体中的释放，避免了合成新型聚合物所带来的风险。研究者在体外确定了这三种寡肽的受控释放特性，Pep2表现出最佳性能。最后，研究者评估了在体内BV2细胞源Pep2修饰的外泌体载药DOX（Pep2-Exos-DOX）的大脑靶向能力、治疗效果和生物安全性。测试了Pep2-Exos-DOX的血浆浓度、组织分布、治疗效果以及其在其他器官的毒性。结果表明，Pep2-Exos-DOX显示出良好的大脑靶向能力和抗胶质母细胞瘤活性，且无明显毒性。这项研究提供了一种用于治疗大脑疾病的高效大脑药物递送水溶性药物的策略。
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图1. 寡肽修饰的工程化外泌体用于脑胶质瘤药物递送治疗
来自BV2的外泌体具有良好的BBB穿透能力和对胶质瘤的靶向效果；
新型肽的交联有效避免了在循环中药物的过早释放；
胶质瘤微环境中升高的GSH导致了响应性药物释放；
工程化的外泌体展现了对抗胶质瘤的出色治疗效果。
Volume 368, April 2024, Pages 170-183
https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.02.015
陈志鹏，教授，博士生导师，第六批全国老中医药专家经验继承人，药物制剂专业负责人，南京中医药大学教务处处长。长期从事中药炮制与制剂学研究，在阐明炮制机制基础上，构建以中医药理论为指导的中药有效组分的高效负载多成分共载新型中药制剂。率先开展功能性寡聚多肽及其药物结合物的研究，探讨其功能性与氨基酸序列之间的关系、设计理论，以及构建灵活可控、适应多种给药途径的纳米药物的机制，并拓展其在中药活性成分中的应用，有力地发展了基于纳米技术的中药活性物质减毒增效的新理论和新方法。曾主持开发缓释微丸制剂、静脉注射乳剂、口腔速崩片等多个品种开发，并申报临床。主持国家自然科学基金4项，国家重点研发计划子课题1项，以第一/通讯作者发表高质量学术论文60余篇。指导本科生获得大学生挑战杯一等奖1项，银奖1项。获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学奖）二等奖，江苏省高校科学研究成果奖（自然科学奖）二等奖等科技奖励3项，入选江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才。
王宇彤，副教授，硕士生导师，从事药物新剂型开发及机制研究工作。近年主持国家自然科学基金等项目2项，作为骨干成员参与国家重点研发计划、江苏省重点研发计划等项目多项，参编《中药药代动力学原理与方法》、《药剂学实验》等研究生、本科生教材。近5年在Signal Transduction and Targeted Therapy，Journal of Controlled Release, Theranostics等权威期刊上发表论文10篇，中文核心论文数篇，获得授权专利2项。获得江苏省高校科学研究成果奖（自然科学奖）二等奖1项。
Wang, Yutong, Yiming Huo, Chunyuan Zhao, Heng Liu, Yurou Shao, Chenqi Zhu, Lan An, Xiao Chen, and Zhipeng Chen. "Engineered exosomes with enhanced stability and delivery efficiency for glioblastoma therapy." Journal of Controlled Release 368 (2024): 170-183.
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