基于尺寸可变的两亲性树状大分子的纳米胶束，在癌症化疗中增强肿瘤渗透能力

《Acta Biomaterialia》：Size-Transformable Amphiphilic Dendrimer-based Drug Nanomicelles for Enhanced Tumor Penetration in Cancer Chemotherapy

研究开发了一种基于两亲性树状大分子和聚乙二醇化聚合物的尺寸可变纳米微囊（PCAmDM），通过模块化共组装策略和体内生物正交化学，在酸性肿瘤微环境中实现pH响应性尺寸缩小，增强药物渗透和疗效，减少系统性毒性，在胰腺移植模型中显著提高抗癌效果。

　　

王晨|辛莉|潘崇琴|陈明|马驰|李云|韩莉莉|陈鹏|黄远征|连宝平|梁燕|张文杰|吴胜梅|冉艳|朱丹丹|刘晓轩

国家天然药物重点实验室，靶向发现与新药创新联合国际研究实验室（教育部），代谢性疾病药物发现江苏重点实验室，中国药科大学，南京211198，中国。

摘要

基于纳米技术的药物输送系统（NDDSs）为癌症治疗提供了一种有前景的范式。然而，其临床转化受到异质性和生理复杂性的肿瘤微环境的严重阻碍——特别是治疗剂难以渗透到实体肿瘤的深层基质和实质部分——这构成了一个亟需科学研究的重大障碍。我们开发了一种尺寸可变的纳米胶束药物输送系统（PCAmDM），该系统利用了两亲性树状大分子和PEG化聚合物，并采用了模块化共组装策略和原位生物正交化学方法。PCAmDM纳米胶束实现了高剂量的多柔比星（DOX）装载效率，其PEG化表面增强了稳定性，延长了血液循环时间，并通过增强渗透和滞留（EPR）效应促进了肿瘤积聚。这些纳米胶束在酸性肿瘤微环境中表现出pH响应性的尺寸减小，释放出更小的纳米胶束，从而提高了在各种肿瘤多细胞球体中的渗透性和治疗效果。尺寸可变的PCAmDM显著提高了DOX的体内治疗效果，同时降低了胰腺异种移植模型中的系统毒性。这些结果突显了这种对肿瘤微环境响应的树状大分子基纳米平台的巨大潜力，作为下一代精准癌症治疗药物输送系统。此外，它还为传统化疗药物的临床应用提供了一种广泛适用的策略，并为设计具有定制特性的智能纳米载体提供了多功能框架，以用于先进的肿瘤学应用。

意义声明

基于纳米技术的药物输送系统在癌症治疗中具有显著的治疗潜力。然而，现有方法的有效性常常受到异质性肿瘤微环境的限制，尤其是治疗剂难以渗透到肿瘤深层区域。为了解决这一关键问题，我们通过模块化共组装和原位生物正交化学方法，从两亲性树状大分子制备了尺寸可变的纳米胶束。这些工程化的纳米胶束表现出优异的特性，包括高药物装载量、延长循环时间、增加肿瘤积聚，并且能够更好地渗透到深层肿瘤组织中。因此，在胰腺异种移植模型中取得了显著的治疗效果。这项工作为设计基于树状大分子的纳米胶束作为精准癌症治疗中的深层肿瘤渗透药物输送平台提供了新的见解。

引言

癌症是一个严重的全球健康危机，给患者带来了严重的生理痛苦，并给医疗系统和社会带来了巨大的经济负担[1,2]。尽管已建立的治疗方式（包括手术、化疗和放疗）在患者生存率方面有所改善，但总体临床效果仍不尽如人意，无法充分满足肿瘤学的复杂治疗需求[[3], [4], [5], [6]]。基于纳米技术的药物输送系统（NDDSs）的发展标志着肿瘤学治疗的范式转变，实现了抗癌剂的精确、定位输送，显著提高了治疗效果，同时降低了毒性[7,8]。越来越多的纳米药物——如Genexol@PM、Nanoxel@M和Doxil——在临床前模型和临床应用中展示了强大的治疗潜力[9,10]。然而，纳米药物的临床转化和肿瘤内有效性经常受到复杂肿瘤微环境（TME）内在生物屏障的制约[11,12]，例如密集交联的细胞外基质、结构异常和升高的间质液压力，这些因素共同阻碍了肿瘤的深层渗透，从而影响了其有效性[[13], [14], [15]]。为了克服这些挑战，迫切需要设计和开发能够动态响应TME独特生物物理和生化条件的自适应NDDSs[[16], [17], [18], [19]]。这样的创新有望改善肿瘤内的药物分布，提高药理效果，最终促进更有效和持久的癌症治疗范式[20]。

纳米颗粒的大小对多个药代动力学和药效学参数有重要影响，包括系统循环时间、生物分布、肿瘤渗透和细胞内摄取[[21], [22], [23], [24], [25]]。例如，较大的纳米药物（直径约100纳米）通常表现出较长的循环时间和通过增强渗透和滞留（EPR）效应在肿瘤组织中的优先积聚[26,27]。相反，较小的纳米药物（小于20纳米）更擅长渗透肿瘤基质，但往往很快从系统循环中清除，导致肿瘤内的积聚有限[28,29]。为了解决这一权衡，已经构思并评估了多种尺寸可变的NDDSs。这些系统特别设计用于响应肿瘤组织特有的微酸性条件（pH 6.5–6.9），这是肿瘤组织的一个显著特征[[30], [31], [32], [33], [34], [35]]。这种响应刺激的平台允许它们以较大形式在肿瘤部位初步积聚，随后通过原位尺寸减小以促进更深的组织渗透[[36], [37], [38], [39]]。这种动态尺寸调节代表了一种提高纳米药物在癌症治疗中治疗效果的有希望的策略。

纳米胶束通常是通过脂质或合成两亲性嵌段共聚物在水环境中的自组装形成的，因其相对较小的纳米尺寸（通常< 30纳米）和高药物装载能力而被广泛认为是先进的NDDSs[40]。一个著名的例子是紫杉醇的甲氧基聚（乙二醇）-b-聚（D, L-乳酸）（mPEG-b-PDLLA）胶束制剂，该制剂以Genexol?PM的名称在市场上销售，并已获得肿瘤学临床应用的监管批准[41]。然而，尽管取得了这些进展，聚合物的固有多分散性和基于脂质的纳米胶束的稳定性限制了它们的广泛临床应用。最近，出现了一种新型的纳米胶束药物输送平台，利用了两亲性树状大分子——脂质/树状大分子的混合物，具有明确的结构——以利用脂质和聚合物的优点，同时克服各自的局限性[[42], [43], [44], [45], [46], [47]]。这些两亲性树状大分子由定制的疏水性脂质链和亲水性树状分支组成，有效地结合了树状大分子的独特协同多价性和两亲性分子的优异自组装性能，从而实现了高效的药物输送[43]。特别是基于两亲性树状大分子（AmD）的纳米胶束，包含两个疏水性C₁₈烷基链和一个亲水性聚（氨基胺）（PAMAM）树状分支，由于其独特的树状亲水结构而表现出显著的药物装载效率。此外，它们紧凑的尺寸（约10纳米）使得化疗药物能够深入肿瘤，从而提高了抗癌效果[48]。

受到基于两亲性树状大分子的纳米胶束优异药物输送性能的启发，我们努力通过工程化尺寸可变特性来进一步提高它们对TME的功能适应性。这一创新旨在克服TME带来的严峻生理障碍，从而增强NDDS介导的抗癌治疗效果。为此，我们提出了一种基于AmD和PEG化聚合物的模块化共组装和原位生物正交策略（图1A），构建了一种新型的尺寸可变纳米胶束药物输送系统。原位生物正交策略采用了应变促进的叠氮-炔烃环加成（SPAAC），这是一种无铜的点击化学反应，发生在二苯并环辛炔（DBCO）和叠氮之间。该反应在生理条件下快速进行且选择性高，无需有毒的铜催化剂，特别适合生物应用和纳米结构的原位组装[49,50]。PEG化聚合物作为具有良好生物相容性的模型阴离子，被功能化为叠氮和DBCO的可点击模块。此外，2-丙酸-3-甲基马来酸酐（CDM）被用作pH敏感的连接剂，用于制备尺寸可变的NDDSs，在酸性肿瘤条件下（pH ≈ 6.5?7.0）能够断裂[35]。最初，AmD通过疏水相互作用与叠氮功能化的两亲性聚合物（C₁₈-PEG₁₀₀₀-N?）共组装，封装化疗药物多柔比星（DOX），形成叠氮功能化的纳米胶束（N?/AmDM@DOX）。随后，这些纳米胶束通过快速的无铜点击化学反应用炔基功能化的pH响应性聚乙二醇衍生物（MEO-PEG₂₀₀₀-CDM-DBCO）进行表面修饰，生成稳定的、尺寸可变的PEG化制剂（PCAmDM@DOX）（图1B）。这种PEG化不仅提供了空间稳定性，有效抑制了纳米胶束的聚集和减少了调理作用，还延长了系统循环时间，并通过EPR效应促进了肿瘤积聚，从而解决了与TME相关的挑战[51]。

关键的是，在暴露于微酸性肿瘤微环境（pH ～6.5）时，pH响应性的CDM部分的水解断裂触发了PEG外壳的脱壳，导致PEG壳的解体并释放出更小的纳米胶束。这种转变促进了肿瘤的深层渗透并提高了药物的生物利用度。我们预期这种由两亲性树状大分子和两亲性PEG化聚合物组成的尺寸可变纳米胶束能够延长血液循环时间并增强肿瘤渗透，从而实现有效的癌症治疗。此外，通过将两亲性树状大分子的模块化精确性与PEG化聚合物的动态表面工程相结合，这一策略为扩大纳米药物在肿瘤学及其他领域的应用范围提供了巨大潜力。

材料

N₃-PEG₁₀₀₀-NHS和MEO-PEG₂₀₀₀-OH从Ponsure Biological（上海，中国）购买。实验中使用的所有其他化学品均从Aladdin Ltd.（上海，中国）、Titan Ltd.（上海，中国）、Energy Chemical Ltd.（上海，中国）或Sigma-Aldrich（上海，中国）购买。所有溶剂均在商业来源进一步蒸馏后使用。所有其他试剂均直接从商业来源使用，无需进一步纯化。¹H NMR光谱在300 MHz下记录。

构建具有强治疗效果的pH敏感、PEG化DOX装载纳米胶束

我们通过模块化组装策略结合原位生物正交工程来构建DOX装载纳米胶束。使用AmD和C₁₈-PEG₁₀₀₀-N?封装抗癌药物DOX，从而制备出已建立的小型叠氮功能化纳米胶束（N?/AmDM@DOX）。使用pH响应性的MEO-PEG₂₀₀₀-CDM-DBCO进行原位生物正交工程，形成了较大的PCAmDM@DOX纳米胶束。

结论

总之，我们通过模块化共组装策略结合原位生物正交化学，利用两亲性树状大分子和两亲性PEG化聚合物，开发了一类尺寸可变的PEG化纳米胶束（PCAmDM）。这种方法避免了广泛的预功能化，同时实现了对物理化学性质的精确控制。所得纳米系统有效地封装了多柔比星（PCAmDM@DOX），表面PEG化增强了胶体稳定性。

CRediT作者贡献声明

王晨：撰写原始草稿、撰写-审阅与编辑、资源准备、数据管理、可视化。辛莉：资源准备、数据管理、可视化、形式分析。潘崇琴：数据管理、可视化、撰写-审阅与编辑。陈明：撰写原始草稿、形式分析、数据管理。马驰：资源准备、数据管理。李云：资源准备、数据管理。韩莉莉：形式分析、数据管理。陈鹏：资源准备、数据管理。黄远征：撰写-审阅与编辑、数据管理。

数据可用性

数据将根据请求提供。

补充材料

支持本文的数据集已作为ESI的一部分上传。

CRediT作者贡献声明

王晨：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草稿、可视化、资源准备、数据管理。辛莉：可视化、资源准备、形式分析、数据管理。潘崇琴：数据管理、可视化、撰写-审阅与编辑。陈明：资源准备、数据管理。马驰：资源准备、数据管理。李云：资源准备、数据管理。韩莉莉：形式分析、数据管理。陈鹏：资源准备、数据管理。黄远征：撰写-审阅与编辑、数据管理。