《ACSNano》：傳遞DNA至腦瘤細胞的可降解納米粒子

Biodegradable plastic molecules (orange) self-assemble with DNA molecules (intertwined, black circles) to form tiny nanoparticles that can carry genes to cancer cells.

　　生物通報道：最近，約翰霍普金斯大學的生物醫學工程師和神經外科醫生共同合作報道稱，他們已經制備出能夠將DNA傳遞到小鼠腦瘤細胞的可生物降解的微小“納米粒子”。

　　該研究小組稱，他們的原理論證性實驗結果表明，這種裝載有“死亡基因”的粒子將來可在神經外科中用于腦癌患者，有選擇地消除任何殘留的腫瘤細胞，而不會損害正常的腦組織。相關研究結果于2014年4月26日在線發表在國際納米科學技術領域權威期刊《ACS Nano》。

　　約翰霍普金斯大學醫學院的生物醫學工程和神經外科助理教授Jordan Green博士稱：“在我們的小鼠實驗中，我們設計的納米粒子成功地將一段檢測基因傳遞給腦腫瘤細胞，然后在那里這段基因被打開。現在我們有證據表明，這些微小粒子也能傳遞那些可選擇性誘導癌細胞死亡的基因，同時保持正常細胞不受損害。”

　　Green及其同事們主要集中在膠質母細胞瘤，這是腦癌最致命和最具侵略性的形式。根據約翰霍普金斯大學醫學院的神經外科教授、本研究小組成員Alfredo Qui?ones-Hinojosa博士介紹，通過標準的手術治療、化療和放療，患者的中位生存時間只有14.6個月，只有能夠殺死對標準治療有抗性的腫瘤細胞，才會有所改進。

　　大自然可通過血腦屏障來保護大腦，因此研究人員將重點轉向利用納米粒子，粒子可在外科手術中將腫瘤破壞DNA指令直接傳遞給腫瘤細胞。

　　最初實驗使用的腫瘤細胞，由Qui?ones-Hinojosa及其研究小組取自志愿患者，然后在實驗室中培養，直到它們形成小細胞球體，稱為六鉤蚴，可能對化療和放療最具有抗性，并能產生新的腫瘤。

　　然后，Qui?ones-Hinojosa與Green合作，為可引起六鉤蚴死亡的基因尋找一種載體。Green實驗室專門制備小圓粒子，這些粒子由可生物降解的塑料形成，其性能可以優化用于完成各種醫療任務。通過改變塑料中的原子，研究小組可以制備不同大小、穩定性和親水或親油的粒子。在這項研究中，Green研究小組制備了幾十個不同類型的粒子，并檢測它們將一段檢測DNA片段傳遞到六鉤蚴的能力，具體地說這個基因編碼一種紅色或綠色熒光蛋白。

　　通過評估吞噬粒子的細胞的存活率，并測量它們所發出紅色或綠色熒光的水平，研究人員確定了哪種粒子劑型的表現最佳，然后在患有人源腦瘤的小鼠中進行檢測。

　　他們將粒子直接注入實驗腦瘤小鼠中，同時也注入健康小鼠腦中作為對照。令人驚訝的是，雖然攜帶DNA的粒子以相同數量進入腫瘤細胞和非腫瘤細胞，但健康的細胞卻很少產生發光的蛋白質。Green稱：“這正是我們想看到的腫瘤特異性，但我們仍然在研究這種情況的發生機制。我們希望接下來的實驗將闡明這一切，這樣，我們就可以將所了解到的知識應用到其他情況中。”

　　Qui?ones-Hinojosa指出：“能找到一種方法選擇性地傳遞基因至腫瘤細胞，這真的很讓人興奮。對于患者來說，與傳統的基因療法相比，這種方法更加可行和安全，傳統基因療法使用修改后的病毒進行治療。”

　　他補充說，粒子可以冷凍干燥保存至少兩年時間，而不會失去其有效性。Green研究小組成員Stephany Tzeng博士說：“納米粒子能長時間的保持穩定，這讓我們可以提前和大批量地制備更好的劑型。這使得它們易于在實驗和手術中持續使用;我們在粒子中添加了水，它們表現良好。”

　　該研究小組在3月27日同一期刊發表的一項相關研究也表明，不同的粒子劑型能夠有效地攜帶和傳遞所謂的siRNAs至腦瘤細胞。siRNAs是將遺傳信息傳遞給細胞的非常小的分子，但是不像DNA那樣能夠打開基因，siRNA會干擾特定蛋白質的生產，并能關閉癌癥基因。

　　Green解釋說，siRNAs必需被封存在粒子中，這些粒子與用來攜帶DNA的粒子有所不同，因為siRNAs比基因療法所常用的DNA分子小約250倍。他說：“siRNAs也比DNA更硬，并且它們不需要進入細胞核，因為它們能夠在細胞核外的細胞質中發揮作用。”

　　研究小組測試了15種可生物降解的粒子制劑初始庫傳遞siRNAs至人腦膠質瘤細胞的能力，通過基因工程使這些細胞產生綠色熒光蛋白(GFP)。添加到粒子中的siRNAs包含GFP代碼，所以如果成功靶定細胞就會停止發出綠光。

　　通過調整粒子的化學性質，該研究小組找到一個成分，可將人腦瘤細胞中的GFP發光降低91%。為了檢測粒子對死亡誘導siRNA的傳遞能力，研究小組設計了阻止重要蛋白制造的siRNA編碼混合物，并將其加載到粒子上。然后他們將這些粒子添加到生長在實驗室中的腦瘤細胞和非腦瘤細胞。

　　在他們的小鼠研究中，就引起細胞死亡的效果而言，腦瘤細胞中的siRNA(高達97%有效)比非腦瘤細胞中的(0到27%，取決于納米粒子類型)更有效。

　　Green強調，對于患者來說，納米粒子為基礎的療法較為安全，在臨床治療中，被傳遞的特異性siRNA或DNA將被仔細挑選，這樣，即使有脫靶到正常細胞的現象，它也只是對癌細胞有害。到目前為止，Green為這些結果感到鼓舞。他說：“結合我們在這兩項研究中所得到的結果，我們甚至可以設計能夠同時傳遞DNA和siRNA的粒子。這將使我們可以調整粒子所傳遞的遺傳自毀代碼，以使癌細胞死亡而正常細胞不會死亡。”

　　國家生物醫學成像和生物工程研究所為本項研究提供了部分資助，該研究所藥物和基因傳遞系統和設備項目主任Jessica Tucker博士指出：“Green博士及其同事已經采取了重要步驟，來開發用于DNA和siRNA傳遞的聚合納米粒子，有望使其對腫瘤細胞具有特異性并且穩定性更高。盡管依然存在很多挑戰，但這樣的工作可能會改變膠質母細胞瘤和相關腦瘤患者的治療效果，而這些疾病目前的治療效果有限。”