Nano Lett.|亞治療性光動力治療促進了腫瘤納米藥物的傳遞，克服了組織增生
大家好，今天給大家推薦一篇發表在Nano Letters上的文章，通訊作者是Gang Zheng。
有限的腫瘤納米顆粒積累仍然是癌症納米醫學的主要挑戰之一。在文中，作者證明了亞治療性光動力啟動(PDP)增強了皮下小鼠前列腺腫瘤中納米顆粒的積累3-5倍，而不會導致細胞死亡、血管破壞或腫瘤生長延遲。作者還發現，PDP導致腫瘤膠原含量降低2倍，內皮下區細胞外基質密度顯著降低。作者的研究證明了PDP在增強腫瘤納米藥物積累和緩解腫瘤組織增生而不導致細胞死亡或血管破壞方面的潛力，凸顯了PDP作為一種微創啟動策略的作用，可以提高纖維增生性腫瘤的治療效果。
在研究中，作者重點研究亞治療性PDP方案的發展，以研究在沒有任何顯著細胞死亡的情況下，腫瘤細胞外基質光電調節的可能性。在皮下PSMA+ PC3 PIP前列腺腫瘤小鼠模型中，作者使用了前列腺特異性膜抗原(PSMA)-靶向菌葉綠素光敏劑(BPP) (圖1A)。BPP聯合治療光劑(750 nm，125 J/cm2)可誘導皮下PSMA+ PC3 PIP腫瘤的破壞。作者探索了在低通量(50 J/cm2)的情況下使用該藥物作為啟動策略以增強大分子藥物向腫瘤的遞送的可能性(圖1B)。對雙皮下PSMA+ PC3 PIP腫瘤的小鼠靜脈注射50 nmol BPP，12小時後對其中一個腫瘤進行50 J/cm2雷射照射(圖1C)。PDP完成15分鐘後，給動物注射了塗有德州紅螢光標記的右旋糖酐(70000 MW)，再循環一個小時。在安樂死之前，動物被注射了DiOC7(3)染料來標記特定的血管。對右旋糖酐陽性區域的定量顯示，在PDP治療的腫瘤中，右旋糖酐外滲增加了2倍(圖1D和E)。鑑於BPP的強光敏特性，作者又研究了PDP對細胞和血管的損傷程度。在PDP治療24小時後，經過蘇木精和伊紅染色未見組織壞死的跡象(圖1F)。此外，PDP對腫瘤生長動力學無影響(圖1G)。全腫瘤切片中cleaved caspase 3 (CC3)螢光定量顯示細胞凋亡沒有顯著增加(圖1F和H)。CD31免疫組化顯示PDP後24h血管區域無變化(圖1F和I)。組織學證據以及PDP治療的動物中腫瘤生長延遲的缺乏(圖1G)證實了所選擇的BPP劑量和光照的組合是亞治療性的。
圖1. 亞治療性PSMA靶向光動力啟動(PDP)。(A)細菌葉綠素肽-PSMA(BPP)示意圖。(B)一般PDP工作流程。(C)帶有雙PSMA+ PC3 PIP腫瘤的小鼠給藥12小時(top)及PDP後即刻BPP的高光譜螢光成像。(D)有代表性的右旋糖酐在暗處的螢光和注射後1小時PDP處理的腫瘤切片的對照。紅—德州紅；綠色−DiOC7。(E)用DiOC7(3)區域歸一化的全腫瘤切片右轉陽性區域的量化。(F)有代表性的H&E，在暗色和PDP治療後24小時的對照，cleaved caspase 3 (CC3) 和CD31染色的切片。(G)對照組和PDP處理小鼠的腫瘤生長曲線。(H) CC3螢光集成密度定量和(I) CD31%區域定量在黑暗和PDP治療的腫瘤對照。
對雙側PSMA+ PC3 PIP腫瘤小鼠進行PDP，然後注射其中一種納米顆粒，包括金納米顆粒(AuNPs)、無聚乙二醇的脂蛋白卟啉納米顆粒(PLP)和光聲脂質體(PA-脂質體)，然後進行成像和定量(圖2A)。實驗結果顯示，PDP治療可使50 nm和100 nm的金納米顆粒的腫瘤聚集增加3倍和5倍(圖2B)。作者又研究了無聚乙二醇的脂蛋白卟啉納米顆粒(PLP)在黑暗對照中的時間依賴性積累，並使用高光譜螢光成像治療腫瘤(圖2C)。在注射納米顆粒30分鐘後，PDP治療的腫瘤就表現出強烈的PLP螢光信號。PLP螢光信號在注射後的24小時內持續增加，而在暗對照腫瘤部位的PLP螢光只開始出現。為了弄清PDP治療的腫瘤中這種依賴時間的信號增強是否來自於PLP腫瘤的積累，而不是納米顆粒的破壞和螢光激活，我們使用了64Cu放射標記PLPs。切除腫瘤和主要器官並稱重，使用伽瑪計數器定量每克納米顆粒注射劑量(%ID/g)。在注射後1.5小時，PDP治療可使PLP腫瘤的蓄積從2%ID/g增加到3.5% ID/g(圖2D)。最後，作者利用光聲脂質體(PA -脂質體)來評估PDP是否可以將完整的脂質體類納米顆粒運送到腫瘤，或者更容易遞送其解離的構建塊。在暗色對照中監測PA -脂質體的積累，並使用光聲成像檢測完整的納米顆粒的820 nm吸收帶(圖2E)。與PLPs相似，在PDP治療的腫瘤中，PA -脂質體早在注射後1小時就出現了，並持續增加到24小時，而對側腫瘤在所有時間點只有少量的PA -脂質體攝取，這是被動積累的結果。
圖2. PDP增強了腫瘤中各種有機和無機納米顆粒的聚集。(A)PDP的納米顆粒輸送工作流程示意圖。(B) ICP-MS對暗對照和PDP治療腫瘤中15、50和100納米金納米顆粒(AuNPs)的定量。(C)注射0.5、1.5、6和24小時後靜脈注射40 nmol無聚乙二醇的脂蛋白卟啉納米顆粒(PLP)的帶有雙皮下前列腺PSMA + PC3 PIP腫瘤的小鼠的代表性高光譜螢光圖像(n = 3)。(D)暗對照和PDP治療腫瘤注射1.5 h後64Cu-PLP定量。(E)在PDP後15分鐘靜脈注射PA -脂質體的雙皮下PSMA+ PC3 PIP攜帶前列腺腫瘤小鼠(n = 3)中進行具有代表性的時間依賴性光聲成像。
在確定亞治療性PDP可以增強不同納米顆粒類型的給藥後，作者研究了PDP如何改變脂質體腫瘤的藥代動力學(圖3)。小鼠在1、5、10.5、24和48 h使用PET-MRI系統成像(圖3A)，然後經視網膜灌注安樂死，64Cu -脂質體在暗對照和PDP治療的腫瘤以及主要清除器官中被量化。使用Inveon軟體定量測定64Cu-脂質體腫瘤的所有時間點的放射性(圖3B)。與使用類脂蛋白納米顆粒和PA -脂質體進行光學成像觀察到的情況相似，在PDP治療的腫瘤中，64Cu-脂質體%ID/g在所有時間點都較高(圖3A和B)。在注射後48小時，通過gamma計數量化64Cu-脂質體的生物分布，表明PDP使64Cu-脂質體的腫瘤積累從2.98±0.15增加到4.34±0.32%ID/g(圖3C)。
圖3. PDP-激活的64Cu-脂質體積累。(A)雙皮下PSMA+ PC3 PIP前列腺癌模型中64Cu-脂質體聚集的代表性PET-MRI成像。(B)暗對照組和治療腫瘤中64Cu-脂質體的積累以48小時內不同時間點每g注射劑量的% (%ID/g)表示。(C)注射48小時後64Cu-脂質體在腫瘤和主要器官中的生物分布使用伽馬計數進行量化。
考慮到PDP後脂質體腫瘤積累的增加，作者研究了PDP如何提高腫瘤Doxil積累和治療效果(圖4A)。在建立最佳PDP設置後，對患有雙皮下PSMA+ PC3 PIP腫瘤的動物進行PDP治療，並以2.5、5、10和20 mg/kg的劑量給藥多西汀。在所有劑量下都發現了兩到三倍的阿黴素積累增強(圖4B)。在建立了Doxil的劑量-反應關係後，作者研究了PDP增強Doxil療效的能力(圖4C和D)。與單獨使用PDP相比，PDP聯合5mg /kg劑量的Doxil注射(PDP + Dox5)可顯著延長腫瘤倍增時間，而單獨使用5mg /kg Doxil的動物的腫瘤倍增時間與單獨使用PDP組沒有顯著差異(圖4F)。以15mg /kg劑量給藥的小鼠存活率最高(圖4D)，但在實驗結束時，該組小鼠開始出現第二波惡病質(圖4E)，說明該治療具有長期毒性。
圖4. PDP增強多西汀腫瘤聚集及療效。(A)增強的Doxil交付工作流程和生存研究的示意圖。(B) PDP後24小時，對照組和PDP治療的腫瘤中Doxil的積累。(C)治療動物的腫瘤生長曲線。(D)生存曲線，(E)相對體重變化，(F)同組腫瘤倍增次數。
膠原標記物Masson三色染色的全腫瘤切片的定量組織學分析顯示，與暗對照相比，PDP後24小時，膠原含量減少了近2倍(圖5A和B)。之後，作者用透射電鏡檢查了內皮下區ECM的超微結構(TEM)(圖5C)。基底膜與內皮細胞外膜密切相關(圖5C和D)。在PDP治療的腫瘤中，與對照組相比，微血管周圍的細胞外基質數量可以忽略不計，基底膜經常從內皮細胞的管腔一側脫落(圖5C和D)。作者發現，PDP治療後24小時，內皮下間隙ECM覆蓋面積%從36.34±1.71下降到23.08±2.63%(圖5E)。
圖5. PDP誘導腫瘤細胞外基質含量和超微結構的改變。(A) Masson三色染色的腫瘤切片，無論光動力啟動與否，PDP後24小時膠原含量顯著降低(藍色)。(B)在全瘤切片中量化馬尾松三色積分密度。(C) PDP治療和未治療腫瘤血管的代表性TEM圖像。(D) PDP和未PDP治療的腫瘤內皮下區域的放大TEM圖像。(E)數據以平均值±S.E.M表示。
作者首先用兩種互補和獨立的方法證明了亞治療光動力激發對腫瘤細胞外基質含量和超微結構有深刻影響，這可能有助於納米藥物的增強傳遞。這些數據表明PDP機制涉及細胞死亡和血管調節之外的其他因素，這些因素還沒有被闡明。這一發現對纖維增生性腫瘤的治療尤其有效，如胰腺癌、乳腺癌、肺癌和胰腺癌。此外，作者還展示了亞治療性PDP如何能夠遞送廣譜的有機和無機納米顆粒，這為PDP與基因遞送、免疫療法以及納米關節支持的光熱和光動力學療法結合開闢了多種途徑。
原文連結：https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03731
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03731