中国科学家实现用于肿瘤血管正常化和放疗增敏的一氧化氮“仓库”

中国科学家实现用于肿瘤血管正常化和放疗增敏的一氧化氮“仓库”
2022年08月18日 22:35 麻省理工科技评论

在肿瘤放疗过程中,实体肿瘤的乏氧微环境会导致 DNA 损伤降低从而使肿瘤产生严重的放射抗性。

一氧化氮(NO)作为一种有效的放疗增敏剂,有两种作用方式:(1)它可以直接与 DNA 自由基反应,固定放疗造成的 DNA 损伤;(2)它能使异常的肿瘤血管恢复正常,增加血液灌注和氧供应。

为了充分发挥 NO 放疗增敏的功能,需要严谨的控制 NO 的给药剂量和持续时间,否则可能会导致相反的效果。因此需要找到一种同时满足这两个需求的 NO 递送策略。

▲图  | 刘坚峰(来源:刘鉴峰)

近日,中国医学科学院放射医学研究所刘鉴峰、杨翠红团队/南开大学高洁课题组设计了一种超分子水凝胶 NO“仓库”(SupraNO),可控制 NO 的释放量和持续时间,达到肿瘤血管正常化和放疗增敏的目的。

实验证明,NO“仓库”可以在 B16 荷瘤小鼠体内持续提供低剂量 NO 从而使肿瘤部位血管正常化,并在辐射前大量释放 NO 以达到最大的 DNA 损伤效果。这两种治疗模式协同作用可以有效地增强 B16 肿瘤的放疗敏感性,比单一剂量 NO 治疗更有效。

近日,相关论文以《超分子一氧化氮库用于缺氧肿瘤血管正常化和放射增敏》(

Supramolecular Nitric Oxide Depot for Hypoxic Tumor Vessel Normalization and Radiosensitization) 为题,发表于 Advanced Materials。中国医学科学院放射医学研究所杨翠红研究员为论文第一作者。论文得到国家自然科学基金委的项目支持。

SupraNO 的设计和自组装

图 1 | SupraNO 仓库的示意图和表征。A) SupraNO 仓库可控递送 NO 及其在乏·氧肿瘤血管正常化和放疗增敏中的作用。B) SupraNO 的化学结构和 β-Gal 催化的 SupraNO 的化学反应。C) SupraNO (0.5 wt%) 的 TEM 图像。D)SupraNO (0.5 wt%))在 37 °C 时的 G'和 G”值。E)SupraNO(0.5 wt%)在 37 °C 下从注射器中挤出后的 G'和 G"值。(来源:Advanced Materials

SupraNO 溶液在加热后冷却形成微观形貌为纳米纤维的可注射水凝胶。分子设计决定了 β-Gal 可以除去 SupraNO 的半乳糖,产生 NO 供体后释放两个 NO分子。

将水凝胶作为 NO 仓库注射到肿瘤内后,肿瘤环境中的 β-Gal 会持续触发 NO 的释放,并以低剂量提供 NO 的局部持续递送;在辐射前注射大量 β-Gal 可以控制释放大量的 NO。

酶促控制释放 SupraNO 中的 NO

图 2 | 酶控 SupraNO 释放 NO。A)在不添加和添加的 β-Gal (0.2 和 2.0 UL-1)的情况下,SupraNO (0.1 wt%)的 NO 释放曲线。B) 不同细胞的 β-Gal 表达水平。C)NO 成像探针处理的 B16 和 H-B16 细胞的代表性荧光显微图像。D)在常氧和缺氧条件下每组中 NO 强度的量化。(来源:Advanced Materials)

实验表明,在体外和细胞水平上,SupraNO 释放 NO 的剂量和时间均可由 β-Gal 进行调控,比市售的 NO 供体 GSNO 释放 NO 的能力更可控、更持久。

SupraNO 的细胞毒性和放疗增敏作用的体外评价

图 3 | 通过克隆形成实验评估的体外放射增敏效率。A) B-16 和 HB-16 细胞在 0、4、6、8 Gy 的 γ 射线照射下,在常氧环境中加或不加  SupraNO (200μм)处理 24 h 的代表性克隆图像和存活分数曲线。B)SupraNO (200μм) 乏氧处理 24h 后 B16 和 H-B16 细胞在 0、4、6、8 Gy 的 γ 射线照射下的代表性克隆图像和存活分数曲线。C-F) B16 细胞 (L-Control)、B16 细胞用 200 μм SupraNO 处理 (L-SupraNO)、H-B16 细胞 (H-Control)和 H-B16 细胞用 200μм SupraNO (H-SupraNO)处理后在 γ 射线照射下,在常氧和乏氧环境中存活分数曲线的比较。(来源:Advanced Materials)

β-Gal 酶促释放的 NO 对正常细胞无危害,而对 B16 细胞表现出明显毒性,这可能是由于 B16 细胞中 β-Gal 的过量表达。实验结果表明,乏氧条件下经 SupraNO 处理后,辐射对 DNA 的损伤可与常氧水平相当,说明 SupraNO 在高浓度 β-Gal 催化下可以使乏氧癌细胞恢复在常氧下对放射治疗的敏感水平。

SupraNO 仓库的体内抗癌作用和放射增敏作用

图 4 | SupraNO 仓库的抗肿瘤和放射增敏活性。A)SupraNO 在小鼠模型中的放射治疗致敏示意图。B) 平均和 C) 不同组中的个体肿瘤生长动力学。D) 各组 DAPI 和 TUNEL 染色的肿瘤组织切片的代表性图像。IR(-):无辐照。IR(+):辐照。E)不同组小鼠的平均体重。(来源:Advanced Materials

实验发现小鼠体内注射后 48h 仍然能检测到 SupraNO,这说明 SupraNO 水凝胶可作为 NO 仓库用于 NO 的持续释放。在小鼠 B16 荷瘤模型上,LH-SupraNO+IR  组接受了 SupraNO 注射和放疗前的 β-Gal 注射,以达到持续低剂量释放 NO 和放疗前高剂量 NO 释放的效果。结果表明,该组与其他组相比显示出最优的抗肿瘤作用。

SupraNO 仓库使肿瘤血管正常化

图 5 | SupraNO 仓库的血管正常化能力。A)不同组肿瘤组织切片的代表性免疫荧光图像。细胞核用 DAPI(蓝色)染色。CD31内皮细胞被染成绿色 NG2周细胞被染成红色。B) 量化每组中 CD31+ 面积百分比、NG2面积百分比和周细胞覆盖率 (NG2+/CD31+)。(来源:Advanced Materials

在肿瘤微环境中,低剂量的 NO 可以重塑肿瘤血管和免疫微环境。实验结果可得,LH-SupraNO 结合放疗组相比其他组,血管密度和肿瘤灌注通量明显增加。低剂量 NO 和高剂量 NO 与放射对肿瘤细胞的联合作用,使肿瘤细胞分泌的引起血管异常的细胞因子大量减少。

参考资料:

1.Yang, C., Mu, G., Zhang, Y., Gao, Y., Zhang, W., Liu, J., ... & Liu, J. Supramolecular Nitric Oxide Depot for Hypoxic Tumor Vessel Normalization and Radiosensitization. Advanced Materials, 2202625.

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