類生物膜膜載藥遞送體系在抗腫瘤領域中的應用

類生物膜具有與細胞膜高度的相似性,因此具有很高的生物安全性和藥物遞送潛能,本文將銜接上文,從不同來源的細胞膜的角度出發簡單列舉類生物膜膜載藥遞送體系在抗腫瘤領域中的應用?

1. 紅細胞膜包被的納米顆粒遞藥體系

紅細胞在體內主要負責輸運氧氣,在人體血液系統中的壽命可達 120 天?這種能夠長時間循環在血液系統中的特性也是納米遞藥體系非常需要的一個理想功能,主要是由紅細胞表面的 CD47 分子和一系列補體調節蛋白在內的標志物介導的?下圖 展示的最初的研究示意圖,將體外獲得紅細胞經低滲處理離心后得到紅細胞膜碎片,然后將其經超聲和機械擠壓等過程得到紅細胞膜衍生的囊泡,將其與由聚乳酸(PLGA)制成的聚合物內核一起共擠出得到紅細胞包裹的PLGA 納米顆粒?利用生物透射電鏡(TEM)和動態光散儀(DLS)表征方法進行了表征后均表明紅細胞膜包裹在了納米顆粒的表面?值得注意的是將此種仿生納米顆粒靜脈注射到小鼠體內時,納米顆粒能夠在血液系統循環更長的時間,清除半衰期達到 40 小時,遠遠優于 PEG 修飾效率?這種長循環特性得益于天然紅細胞膜,這種循環特性可以幫助納米體系在抗腫瘤治療過程中增強 EPR 效應,發揮其應用潛力?

紅細胞膜修飾包被的納米顆粒

利用低滲處理的方法從紅細胞中提取細胞膜,通過與聚合物的納米顆粒物內核一起共擠出得到紅細胞膜包被修飾的納米顆粒?紅細胞膜仿生納米顆粒保留了很多與原始紅細胞膜同樣的表面標志物,如 CD47 作為紅細胞膜的標志性分子標記物能夠幫助免疫逃避和延長血液循環?

2. 白細胞膜包被的納米顆粒遞藥體系

白細胞是血液循環中除紅細胞之外的又一細胞主體成分,包括多種炎癥細胞,有中性粒細胞,樹突狀細胞,巨噬細胞,嗜酸性粒細胞和肥大細胞,以及淋巴細胞等?白細胞廣泛存在于血管和淋巴管以及其他組織中,大多數白細胞可以做變形運動,這使得他們極易在血管和淋巴管之間遷移?慢性炎癥已被定義為腫瘤的主要特征之一,腫瘤細胞通過各種吸引白細胞的細胞因子和趨化因子來招募各種白細胞為自己所用,使之成為被腫瘤細胞同化的各種腫瘤相關細胞?其中之一的腫瘤相關的巨噬細胞因其因其炎癥趨化性而成為腫瘤靶向的有希望的藥物遞送載體?下圖是用巨噬細胞膜包被的金納米顆粒用于腫瘤的光熱治療示意圖,只要是利用金顆粒的近紅外特性和巨噬細胞膜表面分子 CD45?CD11a 和多糖分子所介導的免受吞噬細胞吞噬的作用及靶向腫瘤灶高炎癥的特性,在743nm 的激光照射下產生熱療效應,用于消融腫瘤?

 用巨噬細胞膜包被金納米顆粒用于腫瘤的光熱治療?

a) 巨噬細胞作為膜囊泡的來源,用來在金納米顆粒形成涂層?b)巨噬細胞膜的包被可以保護金納米球殼免受巨噬細胞的攝取和幫助增強腫瘤富集,金納米顆粒核芯能夠在激光照射下產生熱療作用用于腫瘤消融?

3. 腫瘤細胞膜包被的納米顆粒遞藥體系

近年來也有科學家用腫瘤細胞膜來作為仿生膜包裹納米顆粒,腫瘤細胞膜所能提供的作用主要有兩方面,一是他們擁有靶向腫瘤灶的同源靶向能力;二是腫瘤細胞膜表面攜帶有很多腫瘤相關抗原,這種由體外處理后的腫瘤細胞膜包被的納米體系能夠將腫瘤抗原運輸到腫瘤部位,以刺激天然免疫反應的發生,進而來殺傷腫瘤細胞,腫瘤細胞膜的這種作用在利用黑色素瘤細胞膜包裹 PLGA納米顆粒的應用上得到證實?圖3 展示的是將攜帶有腫瘤相關抗原和同型連接抗原的腫瘤細胞膜包被在聚合物納米顆粒內核上用于腫瘤抗原的遞送和腫瘤的同源靶向?類似的工作也有科學工作者利用幾種不同腫瘤細胞膜與不同的免疫佐劑整合在一起用來包裹納米顆粒用于增強腫瘤免疫治療效果?

腫瘤細胞膜包被納米顆粒用于癌癥疫苗的遞送和同源靶向

用腫瘤細胞膜包被的聚合物納米顆粒能夠遞送大量的腫瘤抗原給免疫細胞,用于殺傷腫瘤的免疫細胞的加工和處理,癌癥細胞膜表面含有同型粘附分子,在經過包被后,這些粘附分子能保留在納米顆粒表面用于藥物的腫瘤靶向遞送?

4. 細菌外泌體囊泡包被的納米顆粒遞藥體系

雖然細胞膜包被技術幾乎都是以哺乳動物細胞作為仿生膜的來源,但也有利用原核細胞生物的細胞膜作抗腫瘤的相關研究?如各種革蘭式陽性細菌在生長過程中會產生大量細菌外膜囊泡(OMV),其內部含有對細菌生存至關重要的影響因子,另外由于這些 OMV 表明含有多種細菌抗原如脂多糖 LPS,已被用于各種腫瘤疫苗的研究?應用 OMV 作為腫瘤疫苗研究的優勢在于可以采用膜擠出?超聲等方法,將細菌外囊泡制成粒徑在 30~50nm 大小的尺寸,這是經皮下注射進行淋巴運輸的理想尺寸?下圖展示的就是利用細菌產生的外膜囊泡來包裹包被金納米顆粒以促進機體抗菌免疫效應的增強,當將其作為疫苗接種于小鼠后,通過對引流淋巴結的分析顯示,抗原呈遞的樹突狀細胞數量增加而且成熟水平更高,進而誘導活化的效應 T 細胞數量增加,使得免疫因子 IFN-γ 和 IL-17 水平也顯著增強,這對調節細胞免疫都是十分重要的,而且在進行腫瘤細胞殺傷過程中也發揮重要作用?

細菌膜包被的納米顆粒用于調控抗菌免疫

細菌分泌的外膜囊泡含有大量的細菌表面抗原,將其用于包被包裹金納米顆粒能有效促進樹突狀細胞對抗原的內在化?在注射疫苗后,仿生金納米顆粒能夠誘導樹突狀細胞的成熟,產生高的抗菌效價.

5. 雜合膜包被的納米顆遞藥體系

到目前為止所討論的許多細胞類型突出了利用細胞膜涂層技術可以賦予納米載體特殊的功能特性,有時,將多種細胞類型的功能合并到一個納米顆粒上也是可取的,即將兩種不同的生物膜整合在一起用來包裹納米顆粒實現功能?這一想法在紅細胞與血小板的雜合膜用以提高功能的概念驗證性工作中得到證明,如下圖所示?雜合膜是由兩種純化的生物膜在 37°C 環境中溫柔攪拌制備而成,為了證明雜合膜的存在,在血小板膜上摻雜福斯特共振能量轉移對,一旦兩膜共孵育后,熒光恢復能夠被觀察到,說明雜合膜的成功產生;分別用不同的熒光基團標記的血小板膜和紅細胞膜制備而成的雜合膜來包裹修飾由 PLGA制成的納米顆粒內核,通過在熒光顯微鏡下觀察載體表面的共定位情況來驗證融合的雜合膜的存在?至于他們的理化性質,這種紅細胞和血小板的雜合膜與單獨一種膜包裹修飾的納米顆粒的性質相同,而且也展示了特征性的核-殼結構?這種的雜合膜的制備可以分別將兩種不同的生物膜的功能整合在一起,賦予納米顆粒更多的表面功能特性?

紅細胞與血小板的混合膜包被包被納米顆粒用于提高納米顆粒的功能

這種用兩種生物膜整合的雜合膜用于包裹納米顆粒的方式可以保留兩種細胞膜的特異性功能?

類似的雜合膜技術還有利用腫瘤細胞膜和白細胞膜構建的白質體 Leutusome,這里是利用脂質體作為構建模塊,與兩種細胞膜融合,并在其中包裹疏水性化療藥紫杉醇 PTX 制成脂質體納米粒,如下圖?通過對兩種細胞膜的質膜成分進行體外檢測和驗證,采用頭頸部腫瘤異種移植小鼠模型,研究不同脂質體納米粒的血液清除動力學?生物分布和抗腫瘤效果?結果表明,白質體 Leutusome 具有較長的血液循環,且在腫瘤部位有效地積累?總的來說,隨著細胞類型的廣泛可用,當需要一組以上的細胞特定功能時,這種混合膜涂層策略有可能是有用的,需要在應用的基礎上仔細考慮每種膜的相對含量?

白細胞和腫瘤細胞膜的復合膜形成的偽裝脂質體作為紫杉醇的包裹載體和在腫瘤治療和診斷中的應用的示意圖展示

各種各樣的生物膜被開發應用修飾各種有機和無機納米載體表面,這樣制成的仿生納米載體被用來治療各種疾病,近年來也有科學家將多種不同功能的生物膜整合在一起修飾納米顆粒得到具有多種靶向功能的仿生載體?但是關于仿生膜在靶點位置的藥物釋放問題很少有相關研究,即賦予仿生膜一些刺激響應功能幫助仿生載體更有效的實現藥物釋放,這對于提高疾病治療效率是十分重要的性質,也是仿生膜納米載體功能化及實現智能響應仿生納米載體的未來發展方向?

6. 血小板膜在仿生納米藥物抗腫瘤中的重要作用

血小板是由機體骨髓中成熟的巨核細胞胞質脫落下來的細胞碎片,在血液循環系統中主要起到止血和凝血,支持營養和修復血管內皮的作用,除此之外血小板在調控機體的宿主免疫和炎癥反應過程中也發揮重要作用?現在有大量的實驗和臨床數據表明血小板在腫瘤發生?發展?侵襲和轉移過程中具有重要作用,這主要是源于腫瘤細胞與血小板的相互作用,如下圖所示?首先腫瘤細胞在穿過血管內皮進入血管后能夠刺激活化血小板,進而介導粘附作用,例如肺癌細胞可以高表達 P 選擇素糖蛋白適配體 1(PSGL-1),這是一種在白細胞表面常見的蛋白,它與活化的血小板表面的 P 選擇素具有高度親和力;某些腫瘤細胞通過表達一種平足蛋白與血小板表面 C 型凝集素樣受體-2(CLEC-2)相互作用,誘導血小板活化與聚集?受到刺激活化的血小板可以跟腫瘤細胞直接接觸,形成一個聚集體幫助腫瘤細胞在血液循環中免受自然殺傷細胞的監視和殺傷,血小板除了直接與腫瘤細胞發生物理作用外,還通過分泌多種生物因子如血管內皮生長因子(VEGF)?多巴胺?血清素和內皮抑素等調控腫瘤血管生成,從而支持腫瘤的進展?此外活化的血小板還可通過其內部的 α 顆粒釋放轉化生長因子 β1(TGFβ1)來促進腫瘤細胞的上皮向間充質轉化,這是腫瘤細胞入侵和轉移非常重要的一步?雖然到目前為止,大多數研究都集中在血小板在癌癥轉移和血管生成中的作用上,但最近的數據表明,血小板在腫瘤發展中的作用正在擴大,尤其是其對化療耐藥性和癌癥生長的潛在貢獻,這主要是由血小板釋放的溶血磷脂酶(LPA)和血小板因子 4(PF4)介導,促進腫瘤細胞的生長,另外也有新的研究表明血小板在腫瘤免疫抑制環境中發揮一定作用?

體內血小板產生的原理圖

腫瘤細胞通過旁分泌產生的白介素-6(IL-6)能夠刺激肝臟產生血小板生成素,反過來,這些因子可以促進巨核細胞和血小板的產生?這些事件的聯合可以促進癌癥患者體內的血小板增多和高凝狀態的形成?

鑒于血小板在腫瘤環境中的各種生理和病理的重要作用,越來越多的科學家嘗試將血小板膜包被修飾在納米顆粒表面,從而賦予納米載體各種天然血小板所具有的功能,如延長納米顆粒的血液循環時間?增強其生物相容性?提高納米顆粒在腫瘤部位的主動靶向能力等?顧臻等團隊就利用血小板膜表面高表達的 P選擇素和乳腺癌細胞表面的 CD44 受體的相互作用來賦予仿生載體主動靶向特性如圖8 所示,仿生體系的內核是由單次乳化法得到的包載化療藥阿霉素(DOX)的納米顆粒,再用超聲擠出的方法將血小板膜包裹在外層,然后在膜上嵌入一種腫瘤壞死因子相關凋亡配體(TRAIL)?以期能夠實現在血小板膜介導的靶向作用下,通過 TRAIL 與腫瘤細胞表面的凋亡受體結合,啟動凋亡信號途徑,同時增強阿霉素在腫瘤細胞內的急劇積聚,達到增強殺傷作用?

載藥的血小板膜囊泡(PM-NV)用于靶向和藥物遞送的原理示意圖

a)  藥物載體TRAIL-Dox-PM-NV 的主要成分:TRAIL 連接在血小板衍生的膜上;Dox-NV?b)體內 CTCs的清除和 TRAIL 和 Dox 的遞送?載體可以通過血小板膜表面的 P-選擇素和腫瘤細胞的表面CD44 受體的特異性粘附,隨后觸發的 TRAIL 和 Dox 誘導的細胞凋亡信號通路?ⅰ)TRAIL和腫瘤細胞表面的死亡受體 DRs 受體的相互作用觸發凋亡信號;ⅱ)載體的內吞;ⅲ)由溶酶體的酸性介導的 TRAIL-Dox-PM-NV 的解離;ⅳ)Dox 的釋放和在核內的聚集;ⅴ)Dox 觸發細胞的凋亡。