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Nano Res.[生物]│黄郑炜课题组:用于增敏肺癌细胞铁死亡疗法的金属多酚网络杂合脂质体的研发

本篇文章版权为黄郑炜课题组所有,未经授权禁止转载。

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背景介绍


癌症是导致人类死亡的主要原因之一,其中肺癌更是危害人类健康的主要元凶。化疗是肺癌最主要的临床治疗手段,其使用以铂类为代表的药物,通过诱导细胞凋亡,最终实现抗癌的目的。而化疗药通常有高毒性、靶向性差等缺点,且随着治疗时间的推移容易产生耐药性。因此,亟需探索针对肺癌的新型治疗策略。随着铁死亡疗法的发现,该疗法作为一种不依赖于细胞凋亡的新型抗肿瘤方案,突显出了克服传统化药耐药性的潜力和对肿瘤细胞的高度选择性。因此铁死亡疗法高度具备成为肺癌新型临床治疗策略的潜质。


成果简介


本团队针对以芬顿反应为核心的肺癌铁死亡疗法中肺部药物蓄积低和胞内芬顿反应水平低的两大瓶颈,构建了一种金属多酚网络(Metal Polyphenol Network,MPN)杂合脂质体(代号:LDG)用于增敏肺癌铁死亡。该方案通过雾化吸入的方式直接递药至肺,以迅速提高药物在肺部的有效蓄积。在此基础上,在脂质体内部载入铁死亡诱导剂双氢青蒿素(Dihydroartemisinin,DHA),以DHA的过氧桥代替传统芬顿反应底物过氧化氢(Hydrogen peroxide,H2O2)。此外通过自组装沉降使没食子酸(Gallic acid,GA)-Fe MPN包裹在脂质体外层。当LDG被癌细胞摄取后被溶酶体捕获,在成功逃离溶酶体的同时释放出GA、Fe以及DHA。DHA凭借结构中的过氧桥可以代替H2O2的作用,变相提高了胞内H2O2水平;同时GA-Fe通过构筑铁循环,维持胞内Fe2+的高水平。通过两大渠道有效地触发芬顿反应,造成ROS在肿瘤的蓄积,进一步诱导脂质过氧化,耗竭谷胱甘肽,最终导致高效的铁死亡。该可吸入MPN杂合脂质体成功实现肺部药物的有效递送,同时大幅提高了肺癌铁死亡疗法的效果。综上,本课题设计的脂质体系统有望为肺癌的临床有效治疗提供新策略。


图文导读


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图 1 MPN-杂化脂质体用于肺癌铁死亡-细胞凋亡协同治疗。(a) 通过薄膜超声分散制备LDG脂质体。(b) 雾化提供基于铁氧化还原循环的 LDG 抗肿瘤策略。


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图 2 脂质体的表征 (n = 3):(a) 粒径。(b) TEM 形态(比例尺 = 200 nm)。(c) Zeta 电位。(d) DSC 曲线。(e) 傅立叶变换红外光谱。(f) 拉曼光谱。(g) 紫外光谱。(h) 体外自由基检测。(i) 铁氧化还原循环的结果。


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图 3 细胞内化、细胞内定位和细胞毒性 (n = 3)。(a) CLSM图像、A549细胞不同时间点LC和LCG摄取的比较以及LGC/LC荧光比值。(b)不同时间点脂质体和细胞溶酶体的共定位分析。(c) 不同浓度下脂质体对 A549 细胞活力的影响。(d) 与各脂质体组孵育的 A549 细胞的钙黄绿素 AM/PI 染色图像。


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图 4 细胞死亡途径和细胞形态 (= 3)。(a)用LDG加不同细胞死亡途径和作用机制的抑制剂处理的细胞活力。(b) A549 细胞线粒体变化的生物 TEM 图像,(c) AFM 图像。(d) A549 细胞形态的生物 SEM 图像。(e) A549 细胞的 DIO 染色分析。


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图 5 铁死亡增强机制 (n = 3)。(a) Fe2+ CLSM 图像和半定量结果。(b) ROS CLSM 图像和半定量分析。(c) 脂质体处理后 A549 细胞中 GPX4 的蛋白质印迹图像和半定量分析。(d) LPO CLSM 图像和半定量分析。(e) 用不同脂质体处理的 A549 细胞中的 MDA 水平。(f) 用不同脂质体处理的 A549 细胞中的 GSH 水平。


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图6 脂质体可诱导细胞凋亡(n = 3)。(a) 脂质体处理后 A549 细胞中 Caspase 3 的蛋白质印迹图像和半定量分析。(b) A549 细胞的Annexin V-FITC 分析 (c) 脂质体处理后线粒体膜电位的 CLSM 图像和线粒体去极化分析。


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图 7 雾化性能 (n = 5)。(a) 雾化前后的粒径分布和 PDI。(b) 雾化后的空气动力学粒径。(c) 不同时间点的累积分布曲线和D10、D50、D90热图(从上到下顺序)和定量分析。(d) 各通道的荧光热图和代表性荧光照片 (e) 主要器官的荧光图像和半定量结果。


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图 8 通过增强铁死亡疗法对 A549-Luc 荷瘤小鼠 (n = 5) 产生抗肿瘤作用。(a) 动物实验给药方案示意图。(b) 治疗12天后各组裸鼠的生物发光图像。(c) 肺部肿瘤的生物发光图像。(d) 肿瘤抑制率 (e) 对照组和LDG组肺中铁的含量。(f) 体重曲线。(g) 各组小鼠肿瘤的H&E染色图像。(h) 不同组小鼠肿瘤的TUNEL、Ki67、GPX 4和4-HNE染色图像。


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图9 脂质体的生物安全性评估(n = 5)。(a) 各组小鼠主要器官H&E染色。(b) 各组小鼠气管H&E染色。(c) 第12天各组小鼠的肺功能评价,包括呼吸频率、平均潮气量、平均呼气量和50%呼气流速。


作者简介


论文第一作者为暨南大学药学院硕士研究生吴林静,共同第一作者为中山大学药学院博士研究生王文浩和暨南大学大学药学院硕士研究生郭梦琴。通讯作者为暨南大学药学院黄郑炜教授。

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黄郑炜,暨南大学“青蓝学者”。博士后合作导师为国家级人才称号获得者丁克教授。毕业于中山大学药学院药剂学专业,获理学博士学位,导师为国家TP专家吴传斌教授。主要从事药物制剂的基础和应用研究,研究方向主要为:1.铁死亡纳米制剂;2.肺部吸入纳米制剂;3.纳米制剂的体内命运;4.纳米制剂-生物分子相互作用。近年来获批各级科研项目7项,其中国家自然科学基金项目2项。近年来已发表多篇国际专业期刊论文,其中以(共同)第一作者或通讯作者身份的高水平研究论文共43篇(其中A1-I区6篇,AI-II区14篇;TOP期刊论文9篇),公开申请专利6件(授权3件)。此外,担任多个学术期刊编委和学术团体会员。

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吴林静,暨南大学大学药学院硕士研究生,主要从事吸入纳米递药系统的基础与应用研究。

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王文浩,中山大学药学院博士研究生,主要从事吸入纳米递药系统的基础与应用研究,以第一作者身份在ACS Nano,Acta Pharm Sin B和Nano Research等期刊发表论文十余篇。

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郭梦琴,暨南大学大学药学院硕士研究生,主要从事吸入纳米递药系统的基础与应用研究。


文章信息


Wu L, Wang W, Guo M, et al. Inhalable iron redox cycling powered nanoreactor for amplified ferroptosis-apoptosis synergetic therapy of lung cancer. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6455-2.




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