不同癌細胞對載藥納米顆粒的反應不同

使用納米顆粒來輸送抗癌藥物提供了一種大劑量藥物打擊腫瘤的方法，同時避免了化療通常帶來的有害副作用。然而，到目前為止，只有少數以納米顆粒為基礎的抗癌藥物獲得了FDA的批準。

來自麻省理工學院、麻省理工學院布羅德研究所和哈佛大學的研究人員的一項新研究可能有助于克服開發基于納米顆粒的藥物的一些障礙。研究小組分析了35種不同類型的納米顆粒與近500種癌細胞之間的相互作用，揭示了數千種影響這些細胞是否會吸收不同類型的納米顆粒的生物特征。

這些發現可以幫助研究人員更好地為特定類型的癌癥定制藥物輸送顆粒，或者設計新的顆粒，利用特定類型癌細胞的生物特征。

“我們對我們的發現感到興奮，因為這真的只是一個開始——我們可以使用這種方法來繪制出什么樣的納米顆粒最適合針對特定類型的細胞，從癌癥到免疫細胞和其他種類的健康和患病的器官細胞。我們正在研究表面化學和其他材料性質如何在靶向中發揮作用，”麻省理工學院教授、化學工程系主任、麻省理工學院科赫綜合癌癥研究所成員Paula Hammond說。

哈蒙德是這項新研究的資深作者，該研究發表在今天的《科學》雜志上。該論文的主要作者是麻省理工學院博士后Natalie Boehnke，她很快將加入明尼蘇達大學的教職，以及Joelle Straehla，科赫研究所的Charles W.和Jennifer C. Johnson臨床研究員，哈佛醫學院的講師，Dana-Farber癌癥研究所的兒科腫瘤學家。

Cell-particle交互

哈蒙德的實驗室之前已經開發了許多類型的納米顆粒，可用于向細胞傳遞藥物。她的實驗室和其他人的研究表明，不同類型的癌細胞對相同的納米顆粒的反應往往不同。加入哈蒙德實驗室時研究卵巢癌的Boehnke和研究腦癌的Straehla也在他們的研究中注意到了這一現象。

研究人員假設，細胞之間的生物學差異可能導致了它們反應的差異。為了弄清楚這些差異可能是什么，他們決定進行一項大規模的研究，在這項研究中，他們可以觀察大量不同的細胞與許多類型的納米顆粒的相互作用。

斯特拉赫拉最近了解了布羅德研究所的PRISM平臺，該平臺旨在讓研究人員同時對數百種不同癌癥類型的數千種藥物進行快速篩選。在麻省理工學院(MIT)生物工程副教授安吉拉·克勒(Angela Koehler)的協助下，研究小組決定嘗試采用這個平臺來篩選細胞-納米顆粒之間的相互作用，而不是細胞-藥物之間的相互作用。

“使用這種方法，我們可以開始思考細胞的基因型特征是否可以預測它將吸收多少納米顆粒，”Boehnke說。

為了進行篩選，研究人員使用了來自22個不同組織的488個癌細胞系。每一種細胞類型都用一種獨特的DNA序列“條形碼”，使研究人員可以稍后識別這些細胞。對于每一種細胞類型，也有大量關于其基因表達譜和其他生物學特征的數據集。

在納米顆粒一側，研究人員制造了35個顆粒，每個顆粒的核心由脂質體(由許多被稱為脂質的脂肪分子制成的顆粒)、一種被稱為PLGA的聚合物或另一種被稱為聚苯乙烯的聚合物組成。研究人員還在顆粒上涂上不同類型的保護或靶向分子，包括聚乙二醇、抗體和多糖等聚合物。這使得他們可以研究核心成分和粒子表面化學的影響。

與布羅德研究所(Broad Institute)的科學家合作，包括棱鏡實驗室(PRISM)主任珍妮弗·羅斯(Jennifer Roth)，研究人員將數百個不同的細胞池暴露在35種不同的納米顆粒中。每個納米顆粒都有一個熒光標簽，因此研究人員可以使用細胞分類技術，根據暴露4小時或24小時后它們發出的熒光量來分離細胞。

根據這些測量結果，每個細胞系被分配一個分數，代表它對每個納米顆粒的親和性。然后，研究人員使用機器學習算法分析這些分數，以及每個細胞系可用的所有其他生物數據。

這項分析得出了數千個與不同類型納米顆粒的親和性相關的特征或生物標志物。這些標記中的許多都是編碼細胞機制的基因，這些機制需要結合顆粒，將它們帶入細胞或處理它們。其中一些基因已經被發現與納米顆粒的運輸有關，但其他許多基因是新的。

“我們發現了一些我們預期的標記，我們還發現了更多真正尚未探索的標記。我們希望其他人可以使用這個數據集來幫助擴大他們對納米顆粒和細胞如何相互作用的看法，”Straehla說。

粒子吸收

研究人員挑選了他們識別的生物標志物之一，一種名為SLC46A3的蛋白質，用于進一步研究。PRISM屏幕顯示，這種蛋白質的高水平與脂基納米顆粒攝取極低相關。當研究人員在黑素瘤小鼠模型中測試這些顆粒時，他們發現了同樣的相關性。研究結果表明，這種生物標志物可以用來幫助醫生識別那些對納米顆粒治療更有反應的患者。