基于结构描述符的肿瘤微环境靶向PROTAC纳米粒子自组装现象得到广泛预测

本研究提出通过自组装将PROTACs封装为纳米颗粒（nanoPROTACs），显著提高其肿瘤靶向性、药物负载率和生物利用度。利用logP和NHISS分子特性预测，结合Mordred计算2D/3D结构描述符，发现GATS1i等空间自相关分子特征能有效预测nanoPROTAC形成。实验验证了含有岩藻多糖的nanoPROTACs（如Fi-dBET6和Fi-MS432）在NMC和结直肠癌模型中实现高效肿瘤富集，药物半衰期延长3倍，并显著抑制肿瘤生长和延长生存期，同时降低正常组织毒性。该策略为PROTACs临床转化提供了新范式。

　　
近年来，靶向蛋白降解技术（PROTACs）在癌症治疗领域备受关注。这类分子通过结合目标蛋白并激活泛素-蛋白酶体系统实现蛋白降解，理论上可突破传统小分子药物的靶向限制。然而，PROTACs在临床转化中面临多重挑战，包括较差的药代动力学性质、细胞穿透能力和组织特异性。为解决这些问题，研究者提出将PROTACs封装成纳米颗粒（nanoPROTACs），以优化其递送效率和安全性。

### 一、PROTACs的临床困境与纳米化潜力
PROTACs由两部分组成：靶向蛋白（POI）的“武头”（warhead）和招募E3泛素连接酶的“ ligand”（连接器）。尽管已有多个PROTACs进入临床试验，如针对雄激素受体（AR）的ARV-110和雌激素受体（ER）的ARV-471，但多数患者未观察到显著疗效。研究显示，ARV-471在44例乳腺癌患者中仅2例部分缓解，而ARV-110在前列腺癌中7例患者中仅2例获得部分缓解。这些数据表明，PROTACs的体内递送和药代动力学特性亟待优化。

传统药物递送系统面临两大难题：一方面，PROTACs分子量大（通常800-1300道尔顿）、疏水性高（logP值普遍大于2），导致其水溶性和细胞穿透性差；另一方面，游离的PROTACs易被肝脏和脾脏巨噬细胞捕获，造成全身性毒性并降低肿瘤靶向性。例如，dBET6作为靶向BRD4的PROTAC，其半衰期仅30分钟，且需频繁给药（每日两次）才能维持疗效。此外，PROTACs的非传统结构（如刚性连接的E3酶招募域）可能干扰纳米颗粒的稳定性。

基于此，研究者探索了PROTACs自组装成纳米颗粒的可能性。通过分析PROTAC-DB数据库中的3621种PROTACs、973种连接器及74种E3酶，发现PROTACs的疏水性（logP）和电负性基团数量（NHISS）能显著预测其自组装能力。93%的PROTACs符合logP>2.2且NHISS≥4的条件，而单独的连接器或E3酶仅分别有24%和12%满足该标准。这一发现揭示了PROTACs分子结构中的独特特征——高疏水性和大量电负性基团（如氟原子、羰基等）——可能通过疏水相互作用和π-π堆积形成稳定的纳米颗粒。

### 二、纳米PROTACs的制备与表征
实验采用染料稳定自组装法（DSSA），将亲脂性PROTACs与近红外染料ICG和多糖fucoidan结合。通过优化溶剂条件（DMSO→水）和离心参数（15,000 rpm），成功制备了平均粒径175-200 nm、多分散指数（PDI）<0.2的均一纳米颗粒。HPLC检测显示，dBET6和MS432的负载效率高达85%-90%，且ICG染料与PROTACs通过静电相互作用稳定结合，避免药物泄漏。

值得注意的是，fucoidan的引入不仅增强纳米颗粒的稳定性（在37℃血清中保持完整超过72小时），还通过靶向P-选择素显著提高肿瘤富集度。在NUT中分化癌（NMC）模型中，定向的Fi-dBET6纳米颗粒在肿瘤中的荧光强度是非靶向Dex-dBET6的5倍，且肝脏摄取减少60%。这种靶向性源于肿瘤血管内皮细胞在炎症反应中高表达P-选择素，而正常组织（心、肺、肾）几乎不表达该分子。

### 三、纳米PROTACs的机制解析
体内实验显示，定向纳米颗粒通过两种机制增强疗效：**空间递送优化**和**药代动力学调控**。首先，fucoidan的负电荷与纳米颗粒表面电荷匹配，促进其通过介孔进入和胞吞作用。活细胞成像证实，Fi-dBET6纳米颗粒在NMC细胞中经内体途径释放药物，导致BRD4降解速率较游离药物减缓3.75倍，但最终降解效果相同。这种延迟释放机制可能避免细胞毒性激增，为维持长期疗效提供可能。

其次，纳米封装显著延长PROTACs的循环时间。在健康小鼠模型中，游离dBET6的半衰期仅30分钟，而纳米形式将其延长至3小时。这种差异源于纳米颗粒的表面修饰（fucoidan）抑制了肝脏和脾脏的清除效率，使药物更充分地分布到肿瘤微环境。LC-MS定量分析显示，纳米颗粒在肿瘤组织中的dBET6浓度是非靶向组（Dex-dBET6）的3倍，且在72小时后仍保持较高水平。

### 四、临床转化前景与挑战
在NMC移植瘤模型中，Fi-dBET6纳米颗粒以15 mg/kg剂量每两周一次给药，显著抑制肿瘤生长（抑制率82% vs 26%的游离药物）。生存曲线分析显示，纳米组的中位无进展生存期（PFS）为60天，而游离组仅为28天。类似效果在结直肠癌模型（MS432靶向MEK1/2）中得到验证，纳米颗粒使肿瘤体积缩小50%以上，且未观察到肝、肾毒性。

然而，该技术仍面临关键挑战：**1）部分PROTACs（如CDK4/6降解剂）因结构差异难以自组装**；**2）靶向多糖的细胞穿透性仍需优化**；**3）长期用药安全性需进一步验证**。此外，纳米颗粒的规模化生产成本较高，目前仅能实现实验室级制备。

### 五、技术革新与行业影响
本研究的突破性在于建立了PROTACs纳米化预测模型。通过分析1800余个分子 descriptors，发现**空间电子均匀性指标（GATS1i）**是核心预测因子。GATS1i值低于1.465的PROTACs几乎全部形成纳米颗粒（96%特异性），而传统小分子药物仅8%符合条件。这种高预测准确率（97%）为PROTACs的快速筛选和优化提供了工具，例如通过调整连接器链的长度（PEG/烷基）和空间构型（GATS1i值<1.465）可显著改善纳米颗粒的稳定性。

在产业应用层面，该技术为PROTACs的工业化生产开辟新路径。传统PROTACs因分子量过大（通常>500 Da）难以通过 Regulatory药典的纯度检测（如USP<61>要求粒径<500 nm）。而纳米封装可将粒径控制在200 nm以下，且药物负载量高达90%，完美符合制药标准。此外，采用FDA已批准的ICG作为稳定剂，规避了新药审批风险。

### 六、未来研究方向
1. **多靶向递送系统开发**：结合fucoidan和抗体片段，实现PROTACs在肿瘤微环境中的精准定位。
2. **动态纳米载体设计**：通过光热转换或pH响应材料实现药物在肿瘤中的时空可控释放。
3. **临床前转化优化**：建立PROTACs-纳米颗粒联合优化平台，将分子设计周期从数年缩短至数月。

该研究为PROTACs的临床转化提供了新思路。通过纳米化技术，不仅解决了PROTACs的理化性质缺陷，还利用靶向多糖实现了“主动递送+被动靶向”的双重优势。未来随着AI辅助药物设计（如AlphaFold3对PROTAC-纳米复合体构象预测）和连续流生产技术的成熟，纳米PROTACs有望在5-8年内进入临床前试验阶段。