通过鼻腔给予F-OF-1-ATP酶驱动的色素纳米火箭来增强胶质瘤的治疗效果

《International Journal of Pharmaceutics》：Enhancing glioma therapy via intranasal administration of F OF 1-ATPase motor-embedded chromatophore nanorockets

脑靶向给药纳米系统开发及胶质瘤治疗应用。通过融合F-O-F1-ATP酶驱动的chromatophore纳米火箭与替莫唑胺和姜黄素协同给药，有效穿透鼻粘液屏障并增强脑靶向性，显著提升胶质瘤治疗效果。

　　

杨青亮|郑宁|吴玉静|杨妮|杨新宇|洪伟勇|高颖|佘远斌|杨根生

浙江工业大学药学院，中国杭州310014

摘要

脑靶向药物递送对于实现高效治疗脑相关疾病以及避免全身药物分布的严重副作用至关重要。然而，从给药部位到大脑的过程中存在诸如黏液清除和血脑屏障等障碍，这些因素限制了其实际应用。本文提出了一种由F_OF₁-ATP酶驱动的双药物装载色素纳米火箭（CNs），以促进原位胶质瘤的治疗效果。这些纳米火箭从Thermus thermophilus中提取，并成功装载了两种药物（替莫唑胺和姜黄素）。体外和体内实验均表明，这种纳米火箭能够增强药物对鼻黏液的穿透能力，提高脑靶向性和胶质瘤治疗效果。研究表明，带有F_OF₁-ATP酶的色素纳米火箭是一种有前景的鼻内给药方式，可用于胶质瘤治疗。

引言

胶质瘤是中枢神经系统中最常见的颅内肿瘤，约占原发性颅内肿瘤的一半，具有隐匿性发病、高发病率和高死亡率（Louis等人，2021年；Yang等人，2023年）。替莫唑胺（TMZ）是一种广泛用于治疗胶质瘤的一线药物，它通过O⁶甲基化鸟嘌呤诱导胶质瘤细胞凋亡和衰老，并干扰DNA合成（Schwarzenbach等人，2021年）。然而，由于胶质瘤的异质性（Couturier等人，2020年）、基因组突变（Daniel等人，2019年）、基因修复机制（Kitange等人，2016年；Thomas等人，2017年）以及铁死亡（Hu等人，2020年），胶质瘤极易产生耐药性，导致治疗效果不佳。近年来，将TMZ与其他治疗药物联合使用受到了广泛关注（Brunetti等人，2019年；Giakoumettis等人，2019年；Xiong Zhang等人，2019年；Chakravarty等人，2021年；Gerstmeier等人，2021年）。姜黄素（CUR）是一种从姜黄中提取的天然多酚化合物，具有强大的抗炎和抗肿瘤活性（Chen等人，2020年）。研究表明，姜黄素可通过阻断G2/M细胞周期、激活凋亡、诱导自噬、干扰分子信号传导、抑制侵袭和转移来增强TMZ的效果（Shabaninejad等人，2020年；Migliore等人，2021年）。然而，姜黄素的水溶性较低，限制了其口服给药；此外，在中性和碱性条件下其稳定性较差，阻碍了其作为注射剂的临床应用。

鼻内给药（IN）为一种有前景的给药方式（Koo等人，2025年；Shi等人，2025年），药物可通过鼻黏膜快速吸收进入血液循环，避免了胃肠道和肝脏的首过效应。更重要的是，通过鼻黏膜给药的药物可以直接到达大脑，绕过了血脑屏障（BBB），为脑部疾病和中枢神经系统疾病提供了直接且无创的给药途径。鼻腔可分为前庭区、呼吸区和嗅觉区；由于前庭区的黏液纤毛清除作用，只有部分外来颗粒能够被吸收，这可能是生物利用度较低的原因（Crowe等人，2018年）。药物颗粒可通过呼吸区进入血液循环或通过三叉神经进入中枢神经系统。此外，部分颗粒会随着呼吸进入呼吸系统。当药物颗粒到达嗅觉区后，可通过嗅觉神经、嗅觉上皮和三叉神经进入中枢神经系统（Agrawal等人，2018年）。因此，鼻内给药既能将药物送入血液循环，也能直接送达大脑，是治疗胶质瘤的一种有前景的给药方式。

然而，鼻黏膜中存在一些阻碍药物吸收的因素，包括黏液纤毛清除、上皮细胞的屏障作用以及鼻内酶对药物的降解。其中，黏液纤毛清除被认为是实现有效鼻内给药的关键挑战。早期的研究尝试通过改变药物递送系统的粒径和形态来减少黏液纤毛清除（de Oliveira Junior等人，2020年；Emad等人，2021年），或使用黏附材料增强递送系统的黏附性以延长其在黏膜上的停留时间（Diedrich等人，2022年；Nair等人，2022年；Vaz等人，2022年）。但这些基于上述策略的鼻内给药系统缺乏推进力和移动性，无法有效穿透黏膜屏障以实现高效药物吸收。

在过去十年中，微/纳米马达（MNMs）（Yang等人，2020年；Gao等人，2021年），尤其是生物分子马达（Yang等人，2021年），在实现靶向药物递送方面发挥了重要作用，具备足够的推进力和可控的运动能力（Fernández-Medina等人，2020年；Gilissen等人，2020年）。其中，F_OF₁-ATP酶马达（Li等人，2024a；Li等人，2024b）因其优异的生物相容性、无需外部能量以及易于与药物活性成分结合而脱颖而出。F_OF₁-ATP酶是一种能够合成和分解ATP的酶（Salewskij等人，2020年），同时作为一种典型的生物分子马达，其旋转运动由ATP合成和分解过程中的质子梯度驱动（Milgrom和Duncan等人，2020年；Sobti等人，2020年）。F_OF₁-ATP酶广泛存在于线粒体、叶绿体和细菌色素体（CHR）中（Zhou等人，2025年）。色素体的类脂质体结构使其成为潜在的药物载体，能够在鼻内给药时有效保护药物免受酶解（Guimaraes等人，2021年；Hou等人，2021年）。Yang及其同事（Yang等人，2024年）成功将F_OF₁-ATP酶嵌入色素体中，构建出纳米机器人，实现肿瘤积累和细胞内化。尽管这些纳米机器人在静脉给药治疗异位肿瘤方面取得了进展，但其在鼻内、脑靶向治疗胶质瘤方面的潜力仍需进一步深入研究，其作为双药物递送系统的能力也需要仔细评估。

本文设计并开发了一种基于F_OF₁-ATP酶马达的鼻内纳米火箭，两种药物（TMZ和CUR）被共同装载在色素体囊泡中。这种双药物装载的ATP酶驱动纳米结构旨在实现TMZ和CUR的协同给药，以提高胶质瘤的治疗效果。在该系统中，F_OF₁-ATP酶马达提供必要的推进力以穿透鼻黏液，而色素体则作为药物载体，保护药物免受鼻黏液中的酶解。

材料

Thermus thermophilus购自Moda Biotechnology（中国杭州）。姜黄素（CUR）、聚山梨酯80（Tween 80）和盐酸（HCl）购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.（中国上海）。替莫唑胺（TMZ）购自Macklin Inc.（中国上海）。Tricine由Tsingke Biotechnology Co., Ltd.（中国北京）提供。1,1-二十八烷基-3,3,3,3-四甲基吲哚三羧酸碘化物（DIR）购自AAT Bioquest Inc.（美国加州）。One Step TUNEL凋亡检测试剂

双药物装载色素纳米火箭的特性

双药物装载的色素纳米火箭（图1a）经过构建并进行了全面表征（图1b-j）。红外光谱结果显示（图1b），两种模型药物（TMZ和CUR）均成功装载到色素纳米火箭上。所得到的双药物装载色素纳米火箭呈球形（图1c），平均粒径为122.70±1.27纳米，粒径分布指数（PDI）为0.14±0.02（图1d）。游离色素纳米火箭和药物装载色素纳米火箭的粒径及PDI存在轻微差异

结论

总结来说，我们开发了一种基于F_OF₁-ATP酶马达的鼻内给药纳米火箭，该纳米火箭装载有两种药物（TMZ和CUR），能够有效增强药物对鼻黏液的穿透能力和脑靶向性，在体外和体内实验中显著提高了胶质瘤的治疗效果。F_OF₁-ATP酶马达的加入不仅为双药物装载提供了合适的定位，还利用质子梯度提供了足够的推进力

CRediT作者贡献声明

杨青亮：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学设计、资金申请、数据管理、概念构思。郑宁：方法学设计、实验研究、数据管理。吴玉静：初稿撰写、方法学设计、数据分析、形式化分析、数据管理。杨妮：初稿撰写、数据可视化、验证。杨新宇：数据可视化、方法学设计、数据管理。洪伟勇：软件开发、资源协调、项目管理、资金支持

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22478355、22078297）和浙江省自然科学基金（项目编号：LTGC23H200002、LY20B060007）的财政支持。