SBC产学研合作新成果：基于光动力治疗的纳米新药的开发

近日，上海生物芯片有限公司研发团队与上海交通大学窦红静教授团队、以色列希伯来大学Uri Raviv教授团队在中科院一区杂志Carbohydrate Polymers （IF=10.7）上联合发表论文“Dextran-based nanodrugs with mitochondrial targeting/glutathione depleting synergy for enhanced photodynamic therapy”。该论文主要针对肿瘤光动力治疗（PDT）的疗效受到活性氧（ROS）在生理条件下的短扩散距离和肿瘤细胞中过量表达的谷胱甘肽（GSH）消耗的限制，设计了基于葡聚糖的纳米药物，结合线粒体靶向和GSH耗竭的协同效应，增强ROS在肿瘤细胞中易感部位的产生和作用，从而提高PDT疗效。

一、研究背景

光动力治疗（Photodynamic Therapy，PDT）是近年来用于治疗恶性肿瘤的非侵入性疗法之一。其原理是利用光敏剂在特定波长光照射下生成活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），如单线态氧（¹O₂），从而引发肿瘤细胞的氧化应激和死亡。相较于传统疗法，PDT具有高度的时空选择性，能够减少正常组织的损伤。然而，PDT在肿瘤治疗的应用中存在几个显著的限制：1）ROS有限的扩散距离；2）肿瘤细胞中过表达的谷胱甘肽（GSH）；3）大多数光敏剂较差的溶解性和稳定性。为了克服这些挑战，研究团队提出了一种基于葡聚糖的纳米药物，该纳米药物可以实现疏水性光敏剂原卟啉IX（PpIX）的有效负载，在肿瘤细胞线粒体中的聚集，和肿瘤细胞GSH耗竭的协同效应。线粒体是细胞呼吸和能量代谢的核心器官，易受ROS的攻击，从而引起其结构及功能的异常和细胞的死亡。因此，靶向线粒体可以将ROS直接引导至肿瘤细胞的关键部位，提高PDT的杀伤效率。同时，耗竭GSH可以减少其对ROS的消耗，进一步增强ROS对肿瘤细胞的杀伤作用。

二、研究方法

研究团队开发了一种基于接枝共聚诱导自组装（Graft copolymerization Induced Self-Assembly，GISA）的方法，合成了葡聚糖基纳米药物。这种纳米药物通过以下步骤构建

1、合成核心交联的纳米结构：研究者使用含二硫键的二烯丙基二硫醚（DADS）作为交联剂和GSH响应性断裂点，通过连接葡聚糖/氨基葡聚糖与聚丙烯酸甲酯的共聚物，生成核心交联的纳米结构。二硫键可以与肿瘤细胞中过表达的GSH反应消耗肿瘤细胞中的GSH，进一步增强ROS的作用。

2、线粒体靶向修饰：通过将线粒体靶向配体（CTPP）修饰在纳米颗粒表面，使其能够靶向肿瘤细胞的线粒体。

3、药物加载：通过“组装后加载（loading-post-assembly）”策略，将疏水性的光敏剂PpIX加载到纳米结构的疏水核心中，从而提高光敏剂的稳定性和递送能力。此外，该纳米结构还可以实现其他多种药物的负载，证明了“组装后负载”策略的普适性。

图1 纳米药物的制备以及作用机制

三、研究结果

1、纳米药物的合成及GSH耗竭效果

材料表征结果证明了线粒体靶向性纳米组装体的合成以及对PpIX的成功负载。细胞实验表明，葡聚糖基纳米药物能够显著降低肿瘤细胞内的GSH浓度。在不同浓度的纳米药物处理下，4T1小鼠乳腺癌细胞的GSH含量随着药物浓度的增加而显著降低。此外，GSH处理后的纳米药物，其形貌从规则均一的球形，变成不规则的碎片状。这些结果表明DCP纳米药物的成功制备及其GSH消耗的能力。

图2 材料表征以及纳米药物对于GSH的消耗能力

2、ROS生成能力

在激光照射下，纳米药物能够高效地产生ROS，特别是单线态氧（¹O₂）。实验显示，纳米药物中的光敏剂卟啉IX被激发后，ROS的生成量随着药物浓度和激光照射时间的增加而增加。使用细胞内ROS探针（DCFH-DA）检测，发现处理后的4T1细胞中产生了大量ROS，进一步证实了该纳米药物的PDT效应。

图3 纳米药物在光照条件下的产生ROS的能力

3、线粒体靶向与线粒体损伤

通过共聚焦显微镜观察发现，修饰了CTPP的纳米药物能够靶向肿瘤细胞的线粒体，并在细胞内与线粒体共定位。同时，线粒体膜电位的检测表明，在激光照射下，纳米药物对线粒体的破坏显著，表现为线粒体膜电位的下降。这表明靶向线粒体的纳米药物能够显著增强PDT的细胞毒性。

图4 纳米药物对线粒体靶向性及功能研究

4、体外光动力疗效

使用CCK-8检测法和Calcein-AM/PI双染法，进一步验证了纳米药物在激光照射下对肿瘤细胞的杀伤效果。结果显示，加载了PpIX的纳米药物在激光照射后，能够有效诱导肿瘤细胞死亡。相比未修饰CTPP的纳米药物，修饰了CTPP的纳米药物显示出更强的细胞毒性。

图5 纳米药物的体外光动力疗效评估

5、体内实验结果

在4T1小鼠肿瘤模型中，葡聚糖基纳米药物能够通过增强的渗透和滞留效应（EPR）在肿瘤部位积累。体内光动力疗效实验显示，纳米药物结合激光照射后，显著抑制了肿瘤的生长，且某些肿瘤完全消退。此外，组织学分析显示，肿瘤组织在纳米药物治疗后发生了明显的坏死，而正常组织未受到明显损伤，表明纳米药物在体内具有良好的安全性和疗效。

图6 纳米药物的体内光动力疗效评估

四、研究结论

通过改进的接枝共聚诱导自组装（GISA）方法合成的葡聚糖基纳米药物（DCP纳米药物）具有线粒体靶向和谷胱甘肽（GSH）耗竭的协同作用，可以增强肿瘤的光动力治疗（PDT）效果。DCP纳米药物作为一种新型的载药平台，具有显著的肿瘤抑制效果，为未来的肿瘤治疗提供了一种潜在的策略。

五、团队合作

上海生物芯片有限公司研发团队同上海交通大学窦红静教授团队长期致力于单细胞癌症耐药诊断技术开发及临床转化应用研究，近几年已取得重要研究成果，相关成果发表于 ACS Nano 、Nano Research、Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)  等知名杂志。展望未来，我们将继续推动产学研的深度融合，致力于将这些创新性研究成果转化为实际的临床应用，以期为癌症治疗领域带来革命性的进展。

参考文献

Peipei Zhang, Vincent Mukwaya, Qixiao Guan, Shuhan Xiong, Zhengtao Tian, Yael Levi-Kalisman, Uri Raviv, Yichun Xu, Junsong Han, Hongjing Dou*. Dextran-based nanodrugs with mitochondrial targeting/glutathione depleting synergy for enhanced photodynamic therapy. Carbohydrate Polymers,Volume 348, Part A, 15 January 2025, 122854.