中科院化學所肖海華團隊Nanoscale Horiz.：通過靶向鐵代謝增強納米順鉑的抗癌效果並有效抑制腫瘤轉移
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鐵是機體必不可少的一種基本元素，參與細胞內多種生理過程，如DNA複製、細胞增值、能量代謝等。細胞需維持鐵穩態，機體的鐵代謝紊亂將引發多種疾病。研究發現癌細胞內存在過量的鐵，用以滿足其不斷增殖的需要。此外，大量研究還證實過多的鐵與多種癌症的轉移密切相關。使用去鐵劑去除癌細胞內的鐵，抑制癌細胞增殖和轉移，已成為一種治療癌症的新方法。目前，人們已經開發出了一系列的去鐵劑，其中臨床上一種主用於急性鐵中毒的解毒藥去鐵胺（DFO），作為最常用的去鐵劑，已經被用來靶腫瘤細胞內的鐵治療癌症，並已進入臨床實驗。然而，一般的去鐵劑均存在血液循環時間短、細胞膜滲透率低、加劇腫瘤缺氧環境等不足問題，嚴重限制了它們的應用。
順鉑是治療癌症最主要的化療藥之一，它主要通過形成Pt-DNA加合物，阻斷DNA複製而引起細胞凋亡，最終實現抗腫瘤效果。儘管順鉑對臨床上多種癌症均顯示出較好的治療功效，但它往往會伴隨產生較大的毒副作用與細胞耐藥性。此外，順鉑無法抑制癌細胞轉移，而癌症轉移是近90%的癌症患者治療失敗的主要原因。最新研究結果發現，順鉑還能通過擾亂細胞內鐵代謝相關蛋白（IRP2）的表達，導致細胞內鐵不足，最終促進細胞凋亡。前期研究表明，當DFO與順鉑聯用時，可降低細胞內鐵含量，二者產生了增強的抗腫瘤功效。因此，當前解決順鉑的臨床問題，積極開發新型鉑類載藥體系，克服細胞順鉑耐藥和有效抑制腫瘤轉移，迫在眉睫。
中國科學院化學研究所肖海華研究員（點擊查看介紹）團隊基於前期的研究基礎，設計合成了一種氧化敏感型高分子聚合物，用於包裹軸向上含嗎啉和長脂肪鏈的四價順鉑前藥，並組裝成穩定的納米載藥體系納米粒子（NPs）（圖1）。該NPs能在高氧化態的腫瘤微環境中使高分子斷裂、納米粒子崩解，從而迅速釋放出鉑藥，繞過小分子鉑類藥物進入癌細胞的生物屏障、增加攝取、降低解毒，從而增強細胞毒性。當NPs與去鐵劑Dp44mT聯合處理腫瘤細胞時，一方面，通過釋放的鉑藥形成Pt-DNA加合物，加速細胞凋亡；另一方面，通過去除細胞內的鐵，有效遏制癌細胞轉移。體外與體內實驗均表明該納米四價鉑能有效提高順鉑的抗癌功效，兩者聯用能產生增強的抗癌活性，同時有效抑制腫瘤轉移。該研究首次從靶向鐵代謝的角度，探討利用納米四價鉑治療癌症的新思路，為臨床上克服順鉑耐藥與抑制癌轉移提供了新的視角。
圖1、納米四價順鉑與Dp44mT聯用增加順鉑抗癌效果和抗腫瘤轉移的分子機制
體外細胞實驗結果表明順鉑前藥Pt(IV)與去鐵劑Dp44mT聯用能抑制多種細胞的增殖 (IC50 ＜ 1 μM)，產生更強的細胞毒性。細胞流式結果顯示NPs和Dp44mT聯用會導致肺癌細胞凋亡率高達62%，明顯高於順鉑前藥Pt(IV)和Dp44mT單獨使用的效果 (分別為28%和18.5%)。此外，通過激活細胞凋亡信號通路，NPs與Dp44mT聯用能誘導c-caspase3和c-PARP蛋白表達，促進細胞凋亡。同時，細胞劃痕實驗和Transwell實驗顯示，二者聯用能顯著抑制細胞傷口癒合與細胞遷移。以上實驗證實，通過去鐵劑靶向細胞鐵代謝，能敏化順鉑，從而產生更好的抗癌功效，並且有效抑制細胞轉移（圖2）。
圖2、納米四價順鉑與去鐵劑Dp44mT聯合抗腫瘤細胞增殖與遷移的體外研究。(A)不用藥物處理方式對癌細胞活性的影響，(B) 細胞流式術檢測以上處理方式對細胞凋亡的影響，(C) Western Blot檢測凋亡相關蛋白表達，(D)細胞劃痕實驗，(E) Transwell細胞遷移實驗。
動物實驗結果表明NPs能在小鼠腫瘤部位高效蓄積，從而提高藥物的靶向利用率。NPs與Dp44mT聯用能明顯抑制小鼠乳腺癌細胞的生長，腫瘤重量降低了約5倍（跟對照組比）。通過激活細胞凋亡信號通路，二者聯合誘導腫瘤細胞凋亡。此外，通過干擾細胞內的鐵代謝，NPs與Dp44mT聯用顯著減少了癌細胞的肝轉移與肺轉移結節數（＜3個），進而有效抑制乳腺癌的轉移（圖3）。
圖3、納米四價鉑與去鐵劑Dp44mT聯合抑制小鼠乳腺癌增殖與轉移。(A) NPs在小鼠腫瘤部位的蓄積、組織分佈情況及統計學分析(B)；(C)不同藥物處理方式下小鼠腫瘤形態與腫瘤重量(D)；(E) 細胞凋亡關鍵蛋白表達；(F)不同藥物處理方式下小鼠肺部與肝臟結節數；(G) 小鼠肝與肺組織的H＆E染色結果。其中：(I) PBS, (II) Pt(IV), (III) Dp44mT, (IV) Pt(IV) + Dp44mT, (V) NPs，(VI) NPs + Dp44mT。
以上研究成果近期發表在Nanoscale Horizons 期刊。本論文第一作者是中國科學院化學研究所與深圳大學聯合培養博士後丁芳，上海瑞金醫院宋海勤博士、深圳大學陳仕國教授與中國科學院化學研究所肖海華研究員為共同通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學基金（基金號：51873218）等項目的支持。
Enhancing Chemotherapy Efficacy of Platinum Prodrug Nanoparticles and Inhibiting Cancer Metastasis via Targeting Iron Homeostasis
Fang Ding, Lingpu zhang, Hao Chen, Haiqin Song, Shiguo Chen, Haihua Xiao
Nanoscale Horiz., 2020, DOI: 10.1039/D0NH00148A
肖海華研究員簡介
中國科學院化學研究所肖海華研究員近10年來，立足生物醫用高分子，聚焦金屬鉑類藥，系統性地從事其高分子新劑型及其藥物聯合、基因聯合體系的開發和臨床轉化研究。通過鉑藥單用、與其它抗癌藥物和增敏劑聯合、基因聯合等方式，課題組圍繞三大策略，即跨越生物屏障、解除細胞解毒機制、抑制DNA修復來構建納米鉑載藥體系，降低鉑類藥物的毒副作用、增加療效、抑制臨床耐藥的發生，目前已在Prog. Polym. Sci.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano、Mater. Today、 Coordin. Chem. Rev.、Biotechnol. Adv.、Biomaterials等期刊上發表近70篇論文，其中影響因子>10的20餘篇，第一及通訊作者論文>30篇。申請了中國專利8項，獲授權中國專利4項，美國專利2項；已榮獲湖北省科技進步一等獎（2019年，排名：3/14）、吉林省自然科學二等獎（2015年，排名：3/5）、中美納米醫學與納米生物技術學會未來科學家獎（2017年）。
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