《ACS Nano》：传递DNA至脑瘤细胞的可降解纳米粒子

最近，约翰霍普金斯大学的生物医学工程师和神经外科医生共同合作报道称，他们已经制备出能够将DNA传递到小鼠脑瘤细胞的可生物降解的微小“纳米粒子”。相关研究结果于2014年4月26日在线发表在国际纳米科学技术领域权威期刊《ACS Nano》。

　　

Biodegradable plastic molecules (orange) self-assemble with DNA molecules (intertwined, black circles) to form tiny nanoparticles that can carry genes to cancer cells.

生物通报道：最近，约翰霍普金斯大学的生物医学工程师和神经外科医生共同合作报道称，他们已经制备出能够将DNA传递到小鼠脑瘤细胞的可生物降解的微小“纳米粒子”。

该研究小组称，他们的原理论证性实验结果表明，这种装载有“死亡基因”的粒子将来可在神经外科中用于脑癌患者，有选择地消除任何残留的肿瘤细胞，而不会损害正常的脑组织。相关研究结果于2014年4月26日在线发表在国际纳米科学技术领域权威期刊《ACS Nano》。

约翰霍普金斯大学医学院的生物医学工程和神经外科助理教授Jordan Green博士称：“在我们的小鼠实验中，我们设计的纳米粒子成功地将一段检测基因传递给脑肿瘤细胞，然后在那里这段基因被打开。现在我们有证据表明，这些微小粒子也能传递那些可选择性诱导癌细胞死亡的基因，同时保持正常细胞不受损害。”

Green及其同事们主要集中在胶质母细胞瘤，这是脑癌最致命和最具侵略性的形式。根据约翰霍普金斯大学医学院的神经外科教授、本研究小组成员Alfredo Quiñones-Hinojosa博士介绍，通过标准的手术治疗、化疗和放疗，患者的中位生存时间只有14.6个月，只有能够杀死对标准治疗有抗性的肿瘤细胞，才会有所改进。

大自然可通过血脑屏障来保护大脑，因此研究人员将重点转向利用纳米粒子，粒子可在外科手术中将肿瘤破坏DNA指令直接传递给肿瘤细胞。

最初实验使用的肿瘤细胞，由Quiñones-Hinojosa及其研究小组取自志愿患者，然后在实验室中培养，直到它们形成小细胞球体，称为六钩蚴，可能对化疗和放疗最具有抗性，并能产生新的肿瘤。

然后，Quiñones-Hinojosa与Green合作，为可引起六钩蚴死亡的基因寻找一种载体。Green实验室专门制备小圆粒子，这些粒子由可生物降解的塑料形成，其性能可以优化用于完成各种医疗任务。通过改变塑料中的原子，研究小组可以制备不同大小、稳定性和亲水或亲油的粒子。在这项研究中，Green研究小组制备了几十个不同类型的粒子，并检测它们将一段检测DNA片段传递到六钩蚴的能力，具体地说这个基因编码一种红色或绿色荧光蛋白。

通过评估吞噬粒子的细胞的存活率，并测量它们所发出红色或绿色荧光的水平，研究人员确定了哪种粒子剂型的表现最佳，然后在患有人源脑瘤的小鼠中进行检测。

他们将粒子直接注入实验脑瘤小鼠中，同时也注入健康小鼠脑中作为对照。令人惊讶的是，虽然携带DNA的粒子以相同数量进入肿瘤细胞和非肿瘤细胞，但健康的细胞却很少产生发光的蛋白质。Green称：“这正是我们想看到的肿瘤特异性，但我们仍然在研究这种情况的发生机制。我们希望接下来的实验将阐明这一切，这样，我们就可以将所了解到的知识应用到其他情况中。”

Quiñones-Hinojosa指出：“能找到一种方法选择性地传递基因至肿瘤细胞，这真的很让人兴奋。对于患者来说，与传统的基因疗法相比，这种方法更加可行和安全，传统基因疗法使用修改后的病毒进行治疗。”

他补充说，粒子可以冷冻干燥保存至少两年时间，而不会失去其有效性。Green研究小组成员Stephany Tzeng博士说：“纳米粒子能长时间的保持稳定，这让我们可以提前和大批量地制备更好的剂型。这使得它们易于在实验和手术中持续使用；我们在粒子中添加了水，它们表现良好。”

该研究小组在3月27日同一期刊发表的一项相关研究也表明，不同的粒子剂型能够有效地携带和传递所谓的siRNAs至脑瘤细胞。siRNAs是将遗传信息传递给细胞的非常小的分子，但是不像DNA那样能够打开基因，siRNA会干扰特定蛋白质的生产，并能关闭癌症基因。

Green解释说，siRNAs必需被封存在粒子中，这些粒子与用来携带DNA的粒子有所不同，因为siRNAs比基因疗法所常用的DNA分子小约250倍。他说：“siRNAs也比DNA更硬，并且它们不需要进入细胞核，因为它们能够在细胞核外的细胞质中发挥作用。”

研究小组测试了15种可生物降解的粒子制剂初始库传递siRNAs至人脑胶质瘤细胞的能力，通过基因工程使这些细胞产生绿色荧光蛋白（GFP）。添加到粒子中的siRNAs包含GFP代码，所以如果成功靶定细胞就会停止发出绿光。

通过调整粒子的化学性质，该研究小组找到一个成分，可将人脑瘤细胞中的GFP发光降低91%。为了检测粒子对死亡诱导siRNA的传递能力，研究小组设计了阻止重要蛋白制造的siRNA编码混合物，并将其加载到粒子上。然后他们将这些粒子添加到生长在实验室中的脑瘤细胞和非脑瘤细胞。

在他们的小鼠研究中，就引起细胞死亡的效果而言，脑瘤细胞中的siRNA（高达97%有效）比非脑瘤细胞中的（0到27%，取决于纳米粒子类型）更有效。

Green强调，对于患者来说，纳米粒子为基础的疗法较为安全，在临床治疗中，被传递的特异性siRNA或DNA将被仔细挑选，这样，即使有脱靶到正常细胞的现象，它也只是对癌细胞有害。到目前为止，Green为这些结果感到鼓舞。他说：“结合我们在这两项研究中所得到的结果，我们甚至可以设计能够同时传递DNA和siRNA的粒子。这将使我们可以调整粒子所传递的遗传自毁代码，以使癌细胞死亡而正常细胞不会死亡。”

国家生物医学成像和生物工程研究所为本项研究提供了部分资助，该研究所药物和基因传递系统和设备项目主任Jessica Tucker博士指出：“Green博士及其同事已经采取了重要步骤，来开发用于DNA和siRNA传递的聚合纳米粒子，有望使其对肿瘤细胞具有特异性并且稳定性更高。尽管依然存在很多挑战，但这样的工作可能会改变胶质母细胞瘤和相关脑瘤患者的治疗效果，而这些疾病目前的治疗效果有限。”（生物通：王英）

延伸阅读：JACS：同时传递三种癌症药物的纳米粒子。

生物通推荐原文：
Biodegradable Polymeric Nanoparticles Show High Efficacy and Specificity at DNA Delivery to Human Glioblastoma in Vitro and in Vivo. Hugo Guerrero-Cázares, Stephany Y. Tzeng, Noah P. Young, Ameer O. Abutaleb, Alfredo Quiñones-Hinojosa, and Jordan J. Green. ACS Nano (Article ASAP): http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn501197v

Bioreducible Cationic Polymer-Based Nanoparticles for Efficient and Environmentally Triggered Cytoplasmic siRNA Delivery to Primary Human Brain Cancer Cells. Kristen L. Kozielski, Stephany Y. Tzeng, Bolivia A. Hurtado De Mendoza, and Jordan J. Green. ACS Nano (2014): http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn500704t