中國(guó)科學(xué)家開發(fā)治療癌癥的pH超敏納米去垢劑，讓溶瘤納米材料在0.1范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)pH值精確調(diào)控

腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性和耐****問(wèn)題，是患者康復(fù)路上的“攔路虎”。而具有裂解細(xì)胞膜活性的材料，一旦和腫瘤細(xì)胞接觸，即可開啟“死亡之吻”克服這兩個(gè)問(wèn)題。

近日，華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院王均教授、熊夢(mèng)華教授團(tuán)隊(duì)，和中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院鮑燕副研究員及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖石燕副教授合作，發(fā)展出一種可將微小 pH 變化信號(hào)、轉(zhuǎn)化為強(qiáng)膜裂解活性信號(hào)的納米去垢劑，可實(shí)現(xiàn)其活性在 0.1 范圍內(nèi) pH 值的精確控制，解決了傳統(tǒng)溶瘤材料對(duì)正常組織細(xì)胞毒性強(qiáng)、僅能通過(guò)瘤內(nèi)注射方式給****的問(wèn)題。

（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

研究人員表示，細(xì)胞質(zhì)膜是細(xì)胞維持正常生理功能必不可少的組成成分。具有細(xì)胞膜裂解活性材料，可通過(guò)裂解細(xì)胞膜來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，這種作用方式不僅可以繞過(guò)胞內(nèi)信號(hào)通路，還可以“無(wú)視”耐****譜和代謝異質(zhì)性，為耐****病原體感染和癌癥的治療開辟前景化策略。

比如 LL-37、LTX-315 等具有裂解細(xì)胞膜活性的多肽，已在臨床上通過(guò)瘤內(nèi)注射方式治療黑色素瘤等腫瘤，一些陽(yáng)離子抗菌肽也在臨床上應(yīng)用于細(xì)菌、真菌等感染性疾病的治療。

這類材料通常具有陽(yáng)離子和疏水區(qū)域的兩親性結(jié)構(gòu)。其中，陽(yáng)離子基團(tuán)可對(duì)負(fù)電性細(xì)胞膜產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引作用，然后將疏水性區(qū)域插入磷脂雙分子層，產(chǎn)生類似去垢劑的膜裂解作用。

然而，這類材料的兩親性結(jié)構(gòu)也是其對(duì)正常組織/細(xì)胞具有高毒性的主要原因，其應(yīng)用的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)靶細(xì)胞的高選擇性，同時(shí)最小化其對(duì)正常組織細(xì)胞的毒性。

研究人員通過(guò)利用致病性微生物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞之間細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和組成的巨大差異，以及感染后的微環(huán)境與正常組織的顯著不同，通過(guò)調(diào)控兩親性平衡（如陽(yáng)離子性 (凈電荷)、疏水性、兩親性和結(jié)構(gòu)傾向）或設(shè)計(jì)感染微環(huán)境響應(yīng)性的材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病原菌的選擇性殺傷。

但是，腫瘤細(xì)胞是正常組織細(xì)胞在癌變過(guò)程中轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)的，其細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)組成和理化性質(zhì)差異并不大；腫瘤組織和正常組織相比雖然有特殊的微環(huán)境，但和感染微環(huán)境相比，其差異仍較小。

因此，如何利用腫瘤組織和正常組織微小差異，實(shí)現(xiàn)材料膜裂解活性的高精確調(diào)控，是解決該類材料在腫瘤治療中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

基于上述研究背景，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)一類“質(zhì)子晶體管”納米去垢劑（pTNTs：“Proton transistor”Nanodetergents）。這類材料的突出優(yōu)勢(shì)是對(duì) pH 變化非常敏感，可以將微小的 pH 擾動(dòng)信號(hào)放大為膜裂解活性“開/關(guān)”轉(zhuǎn)換信號(hào)。

圖 | 從左到右依次為劉明冬博士、王均教授、王曉川博士、熊夢(mèng)華教授（來(lái)源：該團(tuán)隊(duì)）

pTNTs 在正常組織（pH~7.4）下保持低細(xì)胞毒性，在腫瘤組織（pH~7.0-6.5）顯示強(qiáng)細(xì)胞膜裂解活性。pTNT 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在 0.1 的 pH 變化下膜裂解活性材料功能的精準(zhǔn)控制，為腫瘤乃至耐****腫瘤的治療提供了新策略和新思路。

3 月 24 日，相關(guān)論文以《一種用于選擇性癌癥治療的晶體管狀 pH 敏感納米去垢劑》（A transistor-like pH-sensitive nanodetergent for selective cancer therapy）為題，發(fā)表在 Nature Nanotechnology 上。王均、熊夢(mèng)華、鮑燕和肖石燕擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

該團(tuán)隊(duì)表示：“有一個(gè)審稿人是這么評(píng)價(jià)的：這項(xiàng)工作是開創(chuàng)性的，因?yàn)樯形从醒芯咳L試通過(guò)微調(diào)聚合物結(jié)構(gòu)來(lái)開啟或關(guān)閉膜裂解行為。在很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人們都知道聚陽(yáng)離子具有很高的細(xì)胞毒性，這篇文章的意義在于，其聚合物對(duì)癌細(xì)胞和小鼠腫瘤具有明顯的高毒性，而正常組織卻能很好地耐受。”

據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事腫瘤酸性微環(huán)境激活型納米****物及載體材料的設(shè)計(jì)與研究，此前曾率先提出基于 2，3-二甲基馬來(lái)酰胺鍵的腫瘤酸性微環(huán)境活化的納米載體構(gòu)建技術(shù)，發(fā)展了“電荷反轉(zhuǎn)”、“尺寸可變”、“PEG 脫殼”等腫瘤酸性微環(huán)境活化的納米材料，實(shí)現(xiàn)納米****物在體內(nèi)各遞送環(huán)節(jié)的高效協(xié)同，在 PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS 等高水平雜志發(fā)表系列研究工作，也獲得廣東省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

其中，熊夢(mèng)華教授在選擇性裂解細(xì)菌細(xì)胞膜的抗菌材料研究上也有多年研究基礎(chǔ)，相關(guān)研究論文已經(jīng)發(fā)表。但是，膜裂解活性材料在抗腫瘤方面研究難以實(shí)現(xiàn)高選擇性。因此，該團(tuán)隊(duì)思考是否利用腫瘤組織微酸環(huán)境，發(fā)展腫瘤酸性微環(huán)境激活型溶瘤材料。

（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

這樣的努力使得他們得以在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)側(cè)基含可質(zhì)子化乙基哌啶的聚乙二醇-聚甲基丙烯酸甲酯（PC6）在 pH7.4 和 6.8 下具有顯著的細(xì)胞毒性差異，其在 pH6.8 下可以快速誘使腫瘤細(xì)胞發(fā)生類似去垢劑殺傷的死亡方式。

（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

這一現(xiàn)象引起了研究人員的關(guān)注。根據(jù)前期在膜裂解活性材料研究工作的經(jīng)驗(yàn)，這類材料起作用主要依賴于陽(yáng)離子和疏水鏈段形成的正電兩親性結(jié)構(gòu)，而叔胺隨著 pH 的下降可從疏水電中性的非質(zhì)子化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎娦缘馁|(zhì)子化狀態(tài)，因此該團(tuán)隊(duì)初步判斷這類材料具有 pH 敏感的膜裂解活性，關(guān)鍵問(wèn)題是如何使其在正常組織 pH 下保持低細(xì)胞毒性，選擇性在腫瘤微酸環(huán)境下激活強(qiáng)膜裂解活性。

接著，他們考慮在 PC6 的基礎(chǔ)上，共聚不同種類與比例的疏水單體。研究人員推測(cè)，通過(guò)疏水基團(tuán)的摻入，可以有效調(diào)控材料在不同 pH 下質(zhì)子化情況，從而控制材料在不同 pH 下正電兩親性結(jié)構(gòu)及其細(xì)胞毒性。

（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

正如該團(tuán)隊(duì)預(yù)想的，這些材料的質(zhì)子化程度可以很好地通過(guò)疏水基團(tuán)的種類和比例進(jìn)行調(diào)控，且其質(zhì)子化程度會(huì)在某一個(gè)狹小的區(qū)段發(fā)生劇烈的變化。這個(gè)現(xiàn)象使他們懷疑這些材料的細(xì)胞殺傷活性也會(huì)有這樣的一個(gè)劇烈轉(zhuǎn)變過(guò)程，從而解決正常組織和腫瘤組織微小 pH 差異下膜裂解活性的精確控制。

于是，他們通過(guò)高內(nèi)涵儀器監(jiān)測(cè)了不同 pH 條件下材料對(duì)細(xì)胞的殺傷情況，發(fā)現(xiàn)絕不多數(shù)材料都可以在 0.1pH 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)殺傷活性的突變（pHt，即在 0.1pH 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)殺傷活性的開/關(guān)），且 pHt 與 pKa 會(huì)隨著基團(tuán)的疏水性與比例呈線性變化。

（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

然后，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了 pTNTs 材料庫(kù)在 pH7.4 和 6.8 下的細(xì)胞毒性，篩選得到最佳性能的材料 P(C6-Bn20)（側(cè)基為芐基，比例 20%）；在體內(nèi)外研究了 P(C6-Bn20) pH 依賴性的結(jié)構(gòu)與功能變化，并和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖石燕教授探討芳香環(huán)在其中的作用。

在應(yīng)用上，鑒于此次材料獨(dú)特的殺傷機(jī)制，細(xì)胞膜裂解活性材料具有廣譜的抗腫瘤活性且不易產(chǎn)生耐****的特性。研究人員相信這類材料將來(lái)會(huì)有很好的應(yīng)用價(jià)值，包括抗腫瘤、抗菌、抗病毒等。

（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

目前，材料主鏈含有不可降解的聚甲基丙烯酸酯，這在未來(lái)臨床轉(zhuǎn)化中會(huì)是一個(gè)不可忽視的障礙；所以該團(tuán)隊(duì)目前在研究把骨架材料替換成可降解成分的可行性。另外，該團(tuán)隊(duì)也在探究這類材料的生物學(xué)效應(yīng)及其在增強(qiáng)腫瘤免疫治療等方面的應(yīng)用。

-End-

參考：

1、Liu, M., Huang, L., Zhang, W. et al. A transistor-like pH-sensitive nanodetergent for selective cancer therapy. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01085-5