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黑素@PLGA/荷叶碱纳米粒通过促进自噬增强肝细胞癌光热治疗
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年09月12日 来源:International Journal of Nanomedicine 6.5
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本文开发了一种新型黑素@PLGA/荷叶碱(MPN)纳米粒,通过近红外(NIR)光热治疗(PTT)触发荷叶碱(NF)释放,协同诱导自噬过度活化(autophagy overactivation),显著增强肝细胞癌(HCC)的热消融效果,并具备优异的磁共振成像(MRI)诊断能力,为肝癌精准治疗提供新策略。
纳米技术的发展使光热治疗(PTT)成为一种新型非侵入性肝细胞癌(HCC)热消融手段。然而,PTT诱导的热应激可触发肿瘤细胞自噬,导致治疗抵抗。因此,通过同时干预肿瘤细胞自噬过程——尤其是促进自噬过度活化以诱导细胞死亡——成为提高PTT疗效的潜在策略。
本研究设计并构建了黑素@PLGA/荷叶碱纳米粒(MPN),用于HCC的精准磁共振成像(MRI)诊断及PTT引导。PTT介导的热效应加速了MPN中荷叶碱(NF)的释放,进而促进自噬体形成和自噬流完成,通过自噬过度活化增强PTT疗效。
MPN成功封装黑素(Mel)并负载荷叶碱(NF),表现出良好的包封效率和载药能力。在808 nm近红外(NIR)照射下,MPN展现出优异的光热转换效率和稳定性。体外实验证实NF可有效促进HCC细胞自噬体成熟,与PTT联用后自噬诱导效应进一步增强。此外,MPN具有高MRI对比度。体内实验验证其在HCC肿瘤中选择性蓄积,实现安全有效的热消融,并通过自噬过度活化抑制消融后肿瘤再生。
MPN可增强T1加权MRI信号以实现精准肿瘤定位,并表现出优越的光热性能。此外,MPN通过诱导HCC细胞自噬过度活化增强PTT,进而提高消融效果并抑制治疗后肿瘤生长。
肝细胞癌(HCC)占原发性肝癌的90%,是全球第六大常见癌症和第四大癌症相关死亡原因。超声引导射频消融在临床中已证明可有效热消融HCC细胞。近年来,非侵入性热消融技术作为HCC治疗选项备受关注。光热治疗(PTT)凭借其靶向消融能力和操作简便性,成为一种新兴抗癌策略。
黑素(Mel)作为一种天然光热转换剂,因其分子结构中大量不饱和键而具备宽谱光吸收能力和增强的光热性能。与其他光热剂不同,Mel通过肝胆系统代谢,减少了体内滞留风险及相关副作用。此外,Mel具有磁共振成像(MRI)特性,可提升T1加权图像中肿瘤病灶的可见度,有助于PTT的精准实施。
近期研究表明,PTT的程度需严格控制。过度PTT可能损伤周围健康组织,而温和PTT则可能诱发肿瘤细胞保护性自噬,从而抵抗治疗。自噬具有双重角色:适度自噬激活自我保护机制应对损伤或应激,而过度自噬则可能导致自噬性细胞死亡。因此,在精确控制PTT的同时,抑制肿瘤细胞保护性自噬或促进其自噬过度活化,可能是提高PTT疗效的新策略。
荷叶碱(NF)是一种从荷叶中提取的化合物,具有重要药理活性,可通过诱导自噬抑制肿瘤细胞增殖,且副作用较小。因此,将NF与PTT热应激结合可能促进肿瘤细胞自噬过度活化,从而增强PTT效果。
聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)因其稳定安全的性能,已在控释药物递送领域商业化应用。本研究利用PLGA作为载体,封装Mel和NF,构建黑素@PLGA/荷叶碱(MPN)纳米粒。MPN兼具光热转换剂和成像剂功能,通过增强渗透与滞留效应(EPR效应)在肿瘤组织中蓄积,辅助MRI定位HCC细胞。在NIR照射下,PTT促使NF从PLGA壳中释放,刺激肿瘤细胞自噬,导致自噬性细胞死亡,从而增强PTT对HCC的根除效果。
Huh7和HCCLM3细胞购自中国科学院细胞库,HepG2肝癌细胞购自美国模式培养物集存库(ATCC)。所有细胞在含10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的DMEM培养基中,于37°C、5% CO2条件下培养。mPEG5000-PLGA(分子量15 kDa)、二氯甲烷、聚乙烯醇(PVA,纯度99%,分子量30–70 kDa)和异丙醇由重庆东方化工提供。NF和Mel分别购自Avanti Research公司和Sigma-Aldrich公司。
将细胞以7×105个/孔接种于96孔板,每组设5–6个复孔。加入NF或不同纳米粒悬液的系列稀释液(200 μL/孔),孵育24或48小时。为评估纳米粒在有/无NIR照射下的细胞毒性,照射组在加药后接受808 nm NIR光(1.5 W/cm2)照射5分钟。孵育结束后,每孔加入20 μL MTT溶液,避光继续孵育4小时。小心吸弃上清,加入二甲基亚砜(DMSO)溶解甲瓒晶体,室温反应15–30分钟。用酶标仪在490 nm波长下检测各孔吸光度(OD),计算细胞存活率。
采用完全裂解法提取Huh7和HepG2细胞总蛋白。通过BCA法测定蛋白浓度。取等量蛋白样品进行凝胶电泳,随后转膜至硝酸纤维素(NC)膜进行Western blotting。完全封闭后,加入适当浓度的beclin-1、p62、LC3和GAPDH抗体(1:1000, Proteintech),4°C孵育过夜。充分洗涤后,与相应的兔/鼠荧光二抗避光孵育1–2小时。采用Odyssey荧光成像系统扫描并分析条带,通过ImageJ软件进行条带强度定量分析。实验重复3次。
MDC是一种可标记自噬体的自发荧光染料。参照已发表方法,Huh7细胞以800 × g离心5分钟,用400 μL洗涤缓冲液清洗。取90 μL细胞悬液(1×105 cells/mL)至Ep管中,加入10 μL 0.05 mM MDC染色液(Solarbio),轻轻混匀。Huh7细胞避光染色30分钟,离心后再次清洗。每管加入100 μL收集缓冲液重悬细胞。最后,将细胞涂片并于共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)下观察,激发光波长为355 nm,阻断光为512 nm。
采用双乳液法制备MPN(Mel@PLGA/NF)、MP(Mel@PLGA)和PN(PLGA/NF)。将PLGA(50 mg)和NF(4 mg)溶于4 mL二氯甲烷,完全超声溶解后,滴加400 μL黑素溶液(15 mg/mL,pH调至7.5)。超声乳化后,依次加入8 mL PVA溶液(4% w/v)和10 mL异丙醇溶液(2% v/v),充分混合。将乳液转移至烧杯,磁力搅拌3小时使溶剂挥发。离心收集颗粒,洗涤后重悬于4 mL去离子水中,得到MPN悬液。MP制备同MPN但不加NF;PN制备同MPN但以去离子水替代黑素溶液。
采用光学显微镜观察MPN的整体形态。将MPN悬液滴加至铜网,通过透射电镜(TEM)进行详细结构分析。使用Zetasizer纳米粒度分析仪测定MPN的粒径分布和Zeta电位。将MPN悬浮于含10%胎牛血清的DMEM中,监测15天内粒径变化以评估胶体稳定性。采用紫外-可见(UV-Vis)光谱扫描(200–1000 nm)获取Mel、NF和MPN的吸收光谱。根据既定公式计算MPN对NF和Mel的包封率(EE)和载药量(DLC)。
采用离心法研究MPN在有/无NIR照射下的NF释放行为。将MPN重悬于含0.1% Tween-80的PBS中,37°C下保温。照射组在采样前接受808 nm激光(1.5 W/cm2)照射5分钟。于预定时间点(0、4、6、12、24、48、72、96和120小时)采集500 μL悬液,离心(15000 rpm,10分钟),通过紫外分光光度法在270 nm处定量上清液中NF含量。
为评估MPN的光热转换效率和稳定性,对去离子水、PLGA纳米粒、MP、MPN和Mel溶液/悬液进行808 nm NIR(1.5或2.0 W/cm2)照射,实时记录温度变化。通过将MPN悬液置于石英管中,进行5次连续照射-冷却循环(照射5分钟,冷却至室温),用热成像仪监测温度变化,评估光热稳定性。
参考已发表方法检测Huh7细胞在PTT过程中的ROS生成。细胞分为6组:对照组、仅NIR照射组、NF单独组、PN单独组、MP + NIR组和MPN + NIR组。照射组在加纳米粒后立即接受808 nm NIR(1.0 W/cm2)照射5分钟。干预24小时后,按ROS检测试剂盒(Beyotime)说明加载DCFH-DA荧光探针,37°C孵育1小时,CLSM下观察细胞内ROS生成。
雄性BALB/c裸鼠(4–5周龄,18–20 g)购自北京维通利华实验动物技术有限公司。所有动物操作经哈尔滨医科大学附属第一医院伦理委员会批准,并遵循《赫尔辛基宣言》及国家生物医学研究伦理规范进行。于左后肢背部皮下注射200 μL Huh7细胞悬液(1×106 cells)建立皮下HCC模型。每日用卡尺测量肿瘤长宽,体积计算公式为V = (长×宽2)/2,待肿瘤体积达约150 mm3时开始实验。
荷瘤鼠随机分为5组(n=4):(1)生理盐水对照组;(2)NF单独组;(3)MPN单独组;(4)MP + NIR组;(5)MPN + NIR组。所有组别经尾静脉每48小时注射相应制剂(100 μL),持续14天。NF、MPN和MPN + NIR组NF剂量均为2 mg/kg。第1天,组4–5在注射MP或MPN悬液6小时后,接受808 nm NIR(2 W/cm2,10分钟)肿瘤照射。每两天记录肿瘤体积和体重,绘制生长曲线评估疗效。
制备PLGA、PN、MP、MPN悬液及Mel溶液,分装于Ep管中。采用3.0 T MRI系统进行T1加权成像(T1WI),参数设置:TR/TE = 515/9.3 ms;FOV = 40 mm × 40 mm × 18 mm;体素大小 = 0.3 mm × 0.4 mm × 1 mm;层数 = 18;NSA = 5;FA = 90°。
荷瘤鼠经尾静脉注射生理盐水或MPN悬液(150 μL)。约6小时后,麻醉小鼠并置于专用小鼠正交线圈中,进行MRI扫描,选取可比图像断面(感兴趣区)进行分析。
麻醉荷瘤鼠后,采用 Canon Aplio500 超声设备的L12–5线阵探头(频率范围5–12 MHz)对皮下肿瘤进行超声评估。通过B超、彩色多普勒血流成像(CDFI)、彩色能量血管成像(CPA)和弹性成像(USE)检测肿瘤形态、大小、血流、肿瘤内部及周围微循环以及肿瘤硬度。
处死小鼠后取肿瘤组织及主要器官。组织经冲洗、乙醇梯度脱水、二甲苯透明、石蜡包埋后切片(厚度5 μm)。切片经烘烤、脱蜡、水化、抗原修复及封闭后,进行beclin-1、p62和LC3免疫组化染色。主要器官切片进行H&E染色。所有切片在显微镜下低倍和高倍评估。
示意图通过Figdraw平台绘制。所有统计分析使用GraphPad Prism软件进行。两组间参数比较采用非配对t检验,多组间差异采用单因素方差分析(ANOVA)。p < 0.05视为有统计学意义。
MTT实验显示,NF以浓度依赖性方式显著抑制Huh7、HCCLM3和HepG2细胞活力(图1A–C)。NF对Huh7细胞的抑制效果持续强于HCCLM3细胞。且NF处理48小时的抑制效果比24小时更显著(图1D–E)。MDC染色显示,Huh7细胞中自噬体数量随NF浓度增加而增加。但在最高浓度(300 μM)下,细胞形态发生改变,结构完整性受损,导致自噬体形成减少(图1F)。
Western blot分析进一步表明,24小时NF处理诱导HepG2和Huh7细胞中beclin-1(经典自噬起始关键调控因子)表达呈浓度依赖性增加。此外,指示自噬体形成和延长的LC3-II/LC3-I比率也增加。但参与自噬底物降解的p62表达未见显著变化(图2A–C)。NF处理48小时后,p62表达随NF浓度增加逐渐下降。且LC3-II/LC3-I比率的增加与NF浓度呈正相关,且比24小时时更明显。相反,beclin-1表达未发生显著改变(图2D–F)。值得注意的是,PI3K抑制剂3-MA未能抑制NF的自噬促进作用(图2G–H)。
成功合成MPN及其他纳米粒,冻干保存备用(图3A)。MPN在PBS中的悬液状态如图3B所示。透射电镜(TEM)显示MPN颗粒呈球形、分散良好,且呈黑色(电子致密)(图3C)。高倍放大成像(10000×以上)显示均匀黑色核心被约15 nm厚的透明环状外壳包围(图3D–E)。MPN平均直径为295.3 ± 23.3 nm,Zeta电位为?17.5 ± 0.6 mV(图3F–G)。制备后15天内,MPN平均粒径未见显著变化(图3H)。
Mel吸光度随波长增加逐渐降低,而NF在270 nm处有特征吸收峰(图4A–B)。MPN的紫外光谱同时显示NF和Mel的特征吸收,证实成功合成(图4C)。在400 nm以上波长(NF吸收范围外),PLGA吸光度低于0.1,而Mel持续吸收。通过UV-Vis光谱建立Mel和NF的标准曲线及线性回归方程:Mel: Y = 1.190X + 0.006, R2 = 0.991;NF: Y = 19.67X + 0.041, R2 = 0.996(图4D–E)。利用Mel(500 nm)和NF(270 nm)的 distinct 吸收特性,计算MPN对各药物的载药量(DLC)和包封率(EE)。Mel的EE和DLC分别为86.2 ± 2.6%和41.2 ± 0.4%;NF的EE为33.1 ± 9.9%,DLC为8.2 ± 1.5%。鉴于本研究重点关注MPN中NF的药理活性,体外药物释放实验评估了有/无NIR照射下NF从MPN中的释放。无NIR照射时,NF累积释放率为40.2%;而NIR照射下,释放显著增加至约65.3%(图4F)。
结果显示,PLGA悬液和去离子水在NIR照射下均无显著温度变化。相反,MP和MPN悬液温度随照射时间逐渐升高。1.5 W/cm2照射5分钟后,Mel溶液温度升高29.1°C,MPN悬液温度升高16.0°C(图5A)。2.0 W/cm2照射5分钟时,Mel溶液温度升高40.8°C,MPN悬液温度升高19.8°C(图5B)。通过周期性NIR照射(808 nm, 1.5 W/cm2或2.0 W/cm2)评估MPN悬液的光热稳定性。值得注意的是,5个循环后未观察到光热活性显著下降,表明MPN具有良好的光热稳定性(图5C–D)。为评估PLGA、PN、MP、MPN和Mel在有/无NIR照射(1.5 W/cm2)下对Huh7细胞的细胞毒性,进行MTT实验。根据MPN的DLC,将Mel溶液浓度设为2 mg/mL。具体而言,MPN单独处理使Huh7细胞活力降至63.01%(图5E)。NIR照射显著放大MPN的细胞毒性效应,进一步将平均细胞活力降至36.45%(图5F)。结果证实PLGA和PN均对NIR照射无响应。然而,与NIR联用时,Mel、MP和MPN均显著降低细胞活力, demonstrating the in vitro PTT effect(图5G)。此外,无论是否照射,MPN均比MP表现出更强的细胞活力抑制效果。尽管MP表现出优于MPN的光热加热能力,但MPN + NIR的联合效果显著强于MP + NIR。这种增强的功效可能归因于NF从MPN中释放及其随后发挥的药理活性。
为阐明NF增强PTT的潜在机制,检测了Huh7细胞内ROS水平。如CLSM图像所示(图6A),单独808 nm NIR照射(无光热剂)对细胞活力和细胞内ROS水平均无影响。NF或MPN单独处理显著降低细胞活力并诱导形态学变化,但未触发可检测的ROS生成。相反,MP + NIR和MPN + NIR组均显示ROS增加,且两组荧光强度相似。为进一步研究自噬涉及的潜在机制,将Huh7细胞分为5组:对照组、NF组、MPN组、MP + NIR组和MPN + NIR组。由于NIR激光探头发射范围有限无法均匀照射,采用水浴加热模拟1.5 W/cm2 NIR照射5分钟 induced 的热曲线。MP + NIR组温度设为59.5°C,MPN + NIR组设为53°C,与先前体外光热转换结果一致。自噬标志物分析显示,MP + NIR(单独PTT)降低beclin-1和p62表达,同时增加LC3脂化(图6B)。比较而言,MPN + NIR照射 further 增强LC3-I表达,这归因于NF的存在。此外,在NF和MPN组中均检测到整体LC3表达升高和LC3-II转化( indicative of LC3-I to LC3-II processing)增加(图6C)。
制备PLGA、PN、MP、MPN悬液及Mel溶液进行T1加权MRI评估。与去离子水相比,PLGA和PN悬液信号可忽略不计。相反,MP和MPN悬液显示显著更高的信号强度,尽管这些强度低于Mel溶液(图7A)。荷瘤鼠经尾静脉注射生理盐水或MPN悬液约6小时后,T1加权成像(T1WI)显示MPN组肿瘤内存在散在高信号强度分布(图7B)。这证实了MPN在肿瘤部位的成功蓄积,从而允许增强肿瘤病灶的可视化。
体内治疗计划持续14天,并使用超声监测肿瘤大小及其他特征(图7C)。荷瘤鼠经尾静脉注射MPN约6小时后,肿瘤接受808 nm NIR光(2.0 W/cm2, 10分钟)照射。我们观察了PTT组中的肿瘤。照射后立即观察到散在出血点和周围皮肤水肿。治疗后第1天,肿瘤表皮出现坏死。第7天时,坏死组织出现机化迹象,同时肿瘤体积显著减小。第14天时,结痂脱落表明肿瘤部分消融(图7D)。各治疗组期间进行的超声评估显示,NF或MPN单独处理延缓了肿瘤进展,导致肿瘤血管密度和硬度略有下降。相反,接受MP + NIR和MPN + NIR的组表现出不同程度的肿瘤消融,导致血管密度和硬度显著降低。值得注意的是,MPN + NIR组效果最强(图7E)。每组荷瘤鼠接受相应治疗14天。完全切除肿瘤后,进行各组肿瘤大小的视觉比较(图7F)。此外,小鼠体重在22–28 g之间,组间无显著差异(图7G)。NF处理仅延缓肿瘤进展,而MPN单药治疗抑制肿瘤生长。在PTT组(MP + NIR和MPN + NIR)中,肿瘤被有效消融,且MPN + NIR组肿瘤体积显著减小(图7H)。
为进一步研究MPN + NIR是否通过影响自噬增强PTT治疗效果,对治疗后肿瘤组织进行免疫组化染色(图8A)。HCC肿瘤组织的IHC分析表明,MPN + NIR治疗显著降低beclin-1和p62表达,同时 substantially 增加LC3表达(图8B)。纳米粒的生物安全性对其作为治疗剂至关重要。因此,我们对荷瘤鼠的主要器官进行H&E染色。主要器官图像显示无治疗诱导的病理损伤, particularly 在肝脏和肾脏中,表明MPN在体内具有良好的生物安全性(图8C)。
本研究开发了黑素@PLGA/荷叶碱(MPN)纳米粒,利用Mel的MRI和光热特性进行肿瘤定位和PTT。热激活后,NF从MPN中快速释放。这种释放通过PTT诱导的自噬促进肿瘤细胞自噬体形成和自噬流,从而增强PTT疗效。
PTT代表一种利用纳米载体进行靶向肿瘤热消融的新型非侵入性治疗方法。然而,一个主要限制是诱导肿瘤细胞保护性自噬。因此,针对这种细胞保护性自噬的策略应运而生以提高PTT结果。值得注意的是,尽管大量研究表明抑制自噬可显著增强抗肿瘤 therapy,但其他研究表明过度自噬活化也可诱导肿瘤细胞死亡。鉴于NF已确立的抗炎和抗肿瘤特性,并已显示可促进黑色素瘤细胞自噬,我们研究了其对HCC细胞活力和自噬的影响。为确保结果全面可靠,我们 initially 选择已建立的HCC细胞系(Huh7和HCCLM3),以及HepG2肝癌细胞系研究NF的 effects and mechanisms。HepG2细胞系因其代谢特性与HCC相似且无p53基因突变,常用于HCC药物治疗和代谢研究。我们的结果表明NF有效抑制所有三种细胞系活力,并促进Huh7和HepG2细胞自噬流。基于这些发现,我们 proceed with 对NF更敏感的Huh7细胞进行后续研究。结果揭示NF增强HCC细胞自噬体形成。
随后,我们使用具有优异生物相容性和生物可降解性的聚合物PLGA作为纳米载体,高效封装天然来源的Mel和NF,形成MPN纳米粒。MPN表现出负表面电荷,降低了其被网状内皮系统吞噬清除的敏感性。此外,其最佳粒径通过 enhanced permeability and retention effect 促进在皮下肿瘤中的蓄积, thereby 增强肿瘤区域的T1加权MRI信号。体外和体内实验结果证明MPN在NIR照射下表现出良好的光热特性,实现显著肿瘤消融。然而,实验结果分析揭示 several noteworthy observations。在体外实验中,NF有效抑制HCC细胞活力。相反,在体内 setting,NF治疗组仅延缓肿瘤生长,未达到 high therapeutic efficacy。相比之下,MPN在体内表现出比NF更强的抑制效果,这是由于其通过 size and surface charge dependent enhanced permeability and retention effect 实现更高的肿瘤部位蓄积。而经尾静脉注射后NF在肿瘤组织中的蓄积不足。此外,涉及NF的治疗方案可能需要 prolonged therapeutic duration,且本研究采用的14天治疗期可能不足。
自噬相关蛋白表达分析证实,在PTT诱导的自噬背景下,NF further 升高Huh7和HepG2细胞中这些蛋白的水平。有趣的是,NF单独或MPN + NIR处理均未显著改变HCC细胞中beclin-1表达。Beclin-1是经典自噬 pathway 中起始复合物(PI3K复合物)的关键组成部分,研究表明与beclin-1上调相关的自噬可发挥抗肿瘤作用。然而,我们 subsequent experiments revealed that 3-MA未能完全消除NF的 effects。这些发现表明NF通过独立于经典beclin-1依赖途径的机制促进HCC细胞自噬。
研究表明诱导ROS依赖性自噬代表增强PTT疗效的替代途径。基于这一发现,我们也研究了NF是否通过促进ROS生成增强PTT疗效。然而,我们的结果显示NF并未升高HCC细胞ROS水平。虽然PTT本身诱导氧化应激,但NF并未 further 增强ROS production。因此, neither NF nor MPN刺激HCC细胞ROS生成,表明ROS相关途径未参与其作用机制。
此外,近期研究证实NF通过激活TFEB介导的自噬-溶酶体降解途径缓解肝细胞脂肪变性,这部分支持了我们关于NF诱导HCC细胞自噬的机制假设。关键的是,LC3脂化(即LC3-I向LC3-II的转化)对TFEB活化至关重要,且MPN + NIR treatment显著增强LC3脂化。这表明MPN + NIR可能通过TFEB活化促进自噬-溶酶体降解并增强PTT效果。非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)全球患病率上升显著增加了NAFLD相关HCC发病率。如果得到验证,基于MPN的治疗可能对NAFLD相关HCC表现出 enhanced efficacy。我们的工作构成对NF和MPN + NIR机制的初步探索,缺乏全面的机制验证。这些发现值得本课题组及其他感兴趣的研究者进一步深入研究。
我们成功合成了黑素@PLGA/荷叶碱(MPN)纳米粒,其表现出 exceptional 光热转换能力。
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