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超级热力学稳定RNA纳米颗粒可溶解并高效负载紫杉醇用于乳腺癌治疗

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


紫杉醇广泛用于乳腺癌等癌症治疗,但其在水中溶解度低、毒性高,易引起严重的副作用,引起人们的关注。毒性的产生往往是由于低溶解性所致,这就要求要用可耐受、安全的递送方式将该药物用于患者的癌症治疗中。那么如何解决紫杉醇水溶性差和毒性高的问题呢?近日,美国俄亥俄州立大学郭培宣教授团队利用具有超级热力学稳定性的RNA四向连接(4WJ)纳米颗粒,将紫杉醇溶解度提高了三万两千倍。这种高效负载紫杉醇的纳米颗粒可用于乳腺癌的靶向治疗


RNA纳米技术是类似于“乐高”的互联构件,可以通过不同RNA链之间的碱基互补配对组装成具有超级热力学稳定性的纳米颗粒。为了利用这种方法进行药物递送,需要解决三个问题:一、对RNA分子进行修饰,使其在体内高度稳定;二,将药物分子共价连接到RNA分子上;三、修饰加上靶向癌细胞的核酸适配体,实现肿瘤的靶向治疗。在本研究工作中,每个RNA纳米颗粒上通过“点击化学”反应共价连接24个紫杉醇分子作为前药。通过亚纳米分辨率低温冷冻电镜成像证明,RNA-紫杉醇复合物在结构上是刚性且稳定的。利用RNA纳米颗粒作为载体,紫杉醇的水溶性增加了3.2万倍。RNA纳米颗粒注入体内后,紫杉醇从RNA 上解离出来,药物的结构完全没有变化。在RNA纳米颗粒上引入靶向乳腺癌的表皮生长因子受体(EGFR)核酸适配体,能够显著增加细胞对RNA-紫杉醇纳米颗粒的内吞,并在体外高效抑制乳腺癌细胞生长。


利用EGFR高表达的MDA-MB-231细胞构建乳腺癌肿瘤模型,静脉注射EGFR核酸适配体修饰的RNA-紫杉醇纳米颗粒,能有效富集到肿瘤部位,并显著抑制乳腺癌的生长,且几乎未见毒性和免疫反应。使用与紫杉醇的半数致死量(LD50)同等剂量的纳米颗粒,仍然未见小鼠致病,更不用说死亡。


利用超级热力学稳定RNA纳米颗粒来递送化疗药物,解决了高密度负载药物后RNA纳米颗粒解离和降解的问题。本研究发现RNA纳米颗粒可用于安全、高效、靶向递送疏水性化疗药物,提供了用于化疗药物递送的稳定的纳米平台以及溶解疏水性药物的有效方法。


本研究工作解决三个问题:一、构建超级热力学稳定性的RNA四向连接(4WJ)纳米颗粒,与传统的RNA三向连接(3WJ)纳米颗粒相比,4WJ具有更强的稳定性,退火温度高于80°C,显著优于3WJ;二、通过“点击化学”反应,将疏水性的紫杉醇连接到RNA分子上,显著提高紫杉醇的水溶性,可将其用于体内递送,解决了紫杉醇水溶性差的问题;三、引入靶向配体修饰,最终实现肿瘤的靶向治疗。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,第一作者是俄亥俄州立大学的郭思金博士、Mario Vieweger博士和斯坦福大学的张凯铭博士。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ultra-thermostable RNA nanoparticles for solubilizing and high-yield loading of paclitaxel for breast cancer therapy

Sijin Guo, Mario Vieweger, Kaiming Zhang, Hongran Yin, Hongzhi Wang, Xin Li, Shanshan Li, Shuiying Hu, Alex Sparreboom, B. Mark Evers, Yizhou Dong, Wah Chiu, Peixuan Guo

Nat. Commun., 2020, 11, 972, DOI: 10.1038/s41467-020-14780-5


郭培宣教授简介


郭培宣 (Peixuan Guo),美国俄亥俄州立大学(OSU)首席教授。1987年毕业于明尼苏达大学,获得博士学位,曾多次担任有关RNA纳米技术和药物的国际会议主席;2006年-2011年,曾担任NIH国家纳米药物开发中心主任;目前是OSU RNA纳米技术和纳米医学中心主任、国际RNA 纳米技术和纳米医学协会主席。研究领域专注于癌症治疗的RNA纳米技术,研究成果多次发表于Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、ACS Nano、Nano Today、PNAS 等国际知名期刊。


http://rnanano.osu.edu/Guo/peixuanguo.html


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:由于癌症发生的原因是细胞生长块, 故很多毒药都能阻碍肿瘤生长。但毒药例如紫杉醇杀死肿瘤的同时, 病人页被毒死了。通过本项研究主要想解决化疗的毒性问题。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:在我们前期的工作中,我们通过对RNA核苷酸2'位进行甲氧基(2'-OMe)或氟代(2'-F)修饰,很好地避免核糖核酸酶(RNase)的降解作用,提高了稳定性。本研究工作中,最大的挑战就是如何将疏水性的紫杉醇共价连接到RNA分子上,而且在连接24个紫杉醇分子后,又不会引起RNA纳米颗粒的解离和降解。这里,我们使用了“点击化学”反应来实现这个目的,在RNA糖环2'位引入炔基,紫杉醇分子上引入叠氮基团,通过溴化亚铜催化,实现共价连接。由于紫杉醇接在了糖环的2'位,不会影响碱基之间的互补配对,因而不会导致RNA分子解组装。


Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A:本研究是我们团队利用RNA纳米技术在疏水性化疗药物递送方面取得的重要成果,本研究证明RNA纳米技术可以有效提高疏水性化疗药物的溶解性,且通过靶向配体修饰,显著提高肿瘤蓄积,在高效抑制肿瘤生长的同时,降低毒副作用。这一研究成果为RNA纳米技术开拓了新方向,提供了溶解疏水性药物的新方法和用于化疗药物递送的稳定的纳米平台,为癌症治疗提供了新药和新的思路。


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