济南牛皮癣医院(完整版)6.2线粒体靶向纳米材料与肿瘤治疗特点

2021年2月1日发(作者：307医院电话)
线粒体靶向纳米材料与肿瘤治疗优势

1
线粒体靶向纳米材料


线粒体靶向策略的最初应用是对生物活性分子修饰线粒体靶向基团，
使这些活 性分子能
够直接靶向至线粒体，
发挥更好的疗效。
例如，
将辅酶
Q1 0
或维生素
E
的衍生物与
TPP
结合，
已被证明能够选择性 的靶向至线粒体并提高抗氧化效率。
当亲脂性的
TPP
与
DOX
共轭 结合时，
原本只能在耐药的人乳腺癌高转移细胞
(MDA-MB-435/DOX)
的 胞浆中积累的
DOX
，
优先选择在
线粒体中积累；与
DOX
原药相比，
TPP-DOX
能够增加
caspase-3
和
PARP
的剪切，诱导更明
显的细胞凋亡，具有逆转
MDR
的应用潜力。


在前文中已经提及，将纳米材料与抗肿瘤药物结合形成纳米医药或用纳米载体负载药< br>物，
能够在保持药物原本完整的疗效的同时，
改善多种药物的药代动力学和生物分布。< br>但在
十年之前，
关于线粒体靶向的纳米载药体系的报道并不多见，
大部分纳米靶 向系统只靶向至
细胞层面，
纳米载体进入细胞后靠随机分布与包括线粒体在内的亚细胞器作用。
后期研究发
现，
纳米递送载体通过修饰特定靶向到亚细胞器，
可以增加药物与 亚细胞器上特定位点作用
的几率，
从而提高治疗效率。
因此，
定点给药的药物 递送系统为目前暂时失败的治疗方法提
供了新的可能性。为了将药物运输到线粒体基质并有效的控制释放 药物到不同的线粒体组
分，对纳米递送系统的设计和制备有着精确的要求：精确的尺寸、
亲脂性 的表面、
合适的电
性和表面特定的靶向基团。此外，为保证线粒体靶向的纳米递送系统在生物体 内的安全性，
对这些纳米材料的生物相容性与生物降解性也有一定的要求。
我们对近年来报道的 几类线粒
体靶向的纳米平台做一个简单总结：

1.1
脂质体基线粒体靶向纳米材料


靶向线粒体的脂质体基材料，可以通 过膜融合将其所载的药物或活性分子带入线粒体
内。
DQAsome
是一类研究要多的 脂质体基线粒体靶向纳米材料，此外还发展了一系列利用亲
脂性阳离子
TPP
实现靶向 功能的脂质体基纳米材料。
2008
年，
Weissig
课题组在
N ano
Letter
上发表了他们制备的以脂质体为核心
TPP
修饰的线粒 体靶向载体：
他们将
TPP
结合到十八烷
醇上制备出
STPP
，再和罗丹明
B
标记的磷脂酰乙醇胺制备脂质体用于靶向线粒体增加神经
酰胺的抗癌 疗效。为了克服上述
STPP
基脂质体的非特异性细胞毒性，
2012
年，< br>Torchilin
等通过聚乙二醇
-
聚磷脂酰乙醇胺
(PEG- PE)
和端基为
TPP
的
PEG
共轭得到
TPP-PEG- PE
，
将此
共轭结构混入脂质体的磷脂双分子层合成得到一种新型的线粒体靶向的脂质 体基纳米材料，
这种材料能够显著提高其运载的抗癌药物紫杉醇
(PTX)
的效率、细 胞毒性和在小鼠体内的抗
癌效率。

线粒体穿膜肽
D
[KLAKLA K]
2
(KLA)
修饰是另一种实现脂质体基材料线粒体靶向的方式。
Gu< br>课题组制各了一种
KLA
修饰、
pH
敏感的新型脂质体材料，能够提高 负载的
PTX
在线粒体中
的积累量，可以用于逆转人肺腺癌细胞
(A549)
的
MDR
。

1.2
树状大分子基线粒体靶向纳米材料


树状大分子是一种从核心分子向 周围辐射，形成高度支化的重复分支的功能高分子材
料，
其表面具有数量可控的、
能够 用于实现多功能化的基团。
树状大分子的中心内核和支化
空间可以包覆生物分子，
表面 基团的不同功能化使其能够递送多种药剂或显影分了。
移位蛋
白
(TSPO)
的一种分子量为
18kDa
的多聚体，在肿瘤的固醇类细胞的线粒体外膜高表达。
Bo rnhop
课题组用树状大分子
G(4)-PAMAM
骨架、
1-(2-氯苯基
)
异喹啉
-3-
羧酸
(C1PhIQ
Acid )
和丽丝胺罗丹明
(Lissamine)
制备了靶向线粒体外膜
TSPO< br>的
CIPhIQ-PAMAM-Liss
，在
C6
大
鼠胶质瘤 和人乳腺癌细胞中有良好的线粒体显影效果。
2012
年，
Torchilinh课题组利用
(3-
羧丙基
)
三苯基溴化膦的羧基和乙酰化的树状大分子的 伯胺发生酸胺缩合反应制备了
PAMAM
基的
G(5)-D-Ac-TPP
， 用荧光染料标记该纳米载体，细胞实验结果显示这种材料和线粒体共
定位的效果较好，
并且毒性 也较低。
在此工作的基础上，
Cheng
等成功的用
TPP
修饰的< br>PAMAM
树状大分子实现了在人宫颈癌细胞和非洲绿猴肾纤维母细胞中的基因递送，
转 染效率可与商
用的
Lipofectamine 2000
相比拟，比
SuperFect
更高。

1.3
聚合物基线粒体靶向纳米材料


由生物相容性和生物可降解的聚合物 制备的聚合物纳米颗粒是另一种药物递送系统中
最常用的材料。在
2008
年，
Kopecek
课题组构建利用
TPP
作为线粒体靶向剂、基于新型的
羟丙 甲丙烯酸甲酯
(HPMA)
共聚物的药物递送系统：他们设计了一种与赖氨酸共轭结合的
HPMA
共聚物，使赖氨酸一端的氨基连接
TPP
用于靶向至线粒体，另一端氨基连 接药物；所
连接的荧光团
BODIPY
和光敏药物
Mce6
都通过激 光共聚焦显微镜
(CLSM)
证明该共聚物能够靶
向至线粒体。
美国乔治亚大 学的
Dhara
教授课题组合成了一系列线粒体靶向的聚合物纳米颗
粒。如图
1
．
13
所示，其中最典型的是用
TPP
修饰
FDA
批准的可生物降解聚乳酸
-
羟基乙酸
共聚物
(PLGA)
，制备得 到靶向线粒体的聚合纳米粒子，用这种纳米粒子封装氯尼达明
(LND
，
抑制线粒体的 糖醇解
)
、α
-
生育酚琥珀酸盐
(
α
-TOS，选择性肿瘤药物
)
、姜黄素
(
淀粉
-p
蛋
白
(A
β
)
的抑制剂，阿兹海默症药物
)
和
2
，
4-
二硝基苯酚
(2
，
4-DNP,
减肥药物
)
，测试药物
纳米粒子对各类线粒体相关疾病的治疗效果。
与
LND
原药对照组相比，
线粒体靶向纳米粒子
运载的
LND
对肿瘤细胞的半数致死率 是原药的
108
倍。之后，他们利用这个载体负载
TPP
修饰的顺铂前药(Platin-M)
，
将其递送到神经母瘤细胞的线粒体中，
用于针对性的耐药 脑部
肿瘤的治疗；
并以狗为动物模型，
建立了这种线粒体靶向的顺铂纳米递送系统的生 物分布评
价模型。此外，
TPP
修饰其他聚合物，例如聚乙二醇
-
聚 己内酯纳米颗粒和多聚赖氨酸纳米
颗粒等，用于线粒体靶向、递送生物活性分子或抗癌药物至线粒体的研 究也陆续见诸报道。


图
1
．
13 TPP
修饰的载药聚合纳米颗粒靶向线粒体的示意图。

1.4
无机纳米碳纳米金

用于线粒体靶向的纳米药物载体的研究主要集中于以脂质体或高分 子聚合物作为载体材
料，这两种材料虽然具有许多优点，
但是它们皆有稳定性差、
药物 容易泄露的缺点。当以上两
种材料置于复杂的生物体内液态环境时，
由于高分子链的溶胀效应及 脂质体自身动态不断自组
装的本质特征，
它们的形状、大小和表面化学性质易变且很不确定。相 对而言，无机纳米材料
具有稳定的形态和结构，将其用于构建线粒体靶向的纳米材料的报道也越来越多。


最早发现有线粒体靶向功能的无机纳米材料是金纳米棒。
2011
年，
Chen
课题组发现金纳
米棒可以选择性的杀死肿瘤细胞，
而对 正常细胞和间充质干细胞没有影响，
不同的细胞摄取方
式、
胞内逃逸和溶酶体敏感性导 致了这样的差异性：
金棒表面的十六烷基三甲基溴化铵
(CTAB)
可以破坏溶酶体造 成溶酶体逃逸，逃逸后金棒表面残留的
CTAB
可以使其在多种肿瘤细胞模型
中选择性 的在线粒体积累，与线粒体的长期作用导致线粒体膜电位下降，产生大量
ROS
，从而
杀死肿瘤细剧。
与此同时，
研究发现单壁碳纳米管
(SWCNTs)
利用其表 面的正电性也可以穿过细
胞膜，
在肿瘤的细胞的线粒体中积累，
并且结合近红外光对< br>SWNTs
照射，
可以实现针对肿瘤的
线粒体靶向的光热治疗。


此后，通过对无机纳米材料修饰线粒体靶向基团实现靶向功能的研究才陆续报道出来。
Prato
等
对
多
壁
碳
纳
米
管< br>(MWCNTs)
表
面
修
饰
线
粒
体
靶
向
肽
序
列
(KMSVLTPLLLRGLTGSARRLPVPR AKC)
，实现了其在药物递送中的线粒体靶向，
CLSM
观察到靶向的
MW CNTs
在巨噬细胞和人宫颈癌细胞的线粒体中大量积累，细胞电镜进一步确认了这个结果。
2 014
年，
Ma
等报道了另一种碳基材料的线粒体靶向，
通过对
CQ Ds
修饰
TPP
实现了对活细胞线
粒体的单光子和双光子显影。之后，
Lin
课题组在实现
TPP
修饰的
CQDs
用于线粒体显影的同< br>时，还开发了其检测亚硝酸离子的分析功能。


近年来的研究中人们也 发现，某些无机纳米粒子也具有线粒体靶向的能力，比如
Ti0
2
纳
米颗粒和 金纳米颗粒。王等人研究了并报道了表面包覆牛血清蛋白的金纳米颗粒在癌细胞
A549
中的作 用机制。他们指出当金纳米颗粒浓度在
25-100
μ
M
时能杀死
A 549
细胞，同时对正
常细胞的毒性较小。
为了探寻这种毒性的差异产生的原因，他们对金纳米颗粒进入细胞的过程
进行了分析并对其进入细胞后的定位进行了监测。
结果表 明，
金纳米颗粒是通过内吞途径进入
到细胞内，
其大部分在溶酶体中，在正常细胞中，
溶酶体中的纳米颗粒很容易会被清除掉。
而
在癌细胞同不同，包覆了
CTAB
的金纳米颗粒很容易从溶酶体中逃逸然后进入线粒体，这使得
它很难被癌细胞清除，从而造成癌 细胞死亡
(Figure 1-18)
。


Figure. 1-18 Different fates and effects of AuNRs in cancer cell, normal cell, and
stem cell due to distinct pathways for cellular trafficking.
2
线粒体靶向肿瘤治疗优势

2.1
克服多药耐药

肿瘤多药 耐药是导致化疗失败的主要原因之一，外排蛋白
P-
糖蛋白
(P-gP
)< br>的高表达，是
肿瘤耐药细胞的重要特征，耐药细胞的
P-gp
可将化疗药物如阿 霉素等外排，导致化疗失败。
通过靶向肿瘤细胞线粒体，
将抗肿瘤药物直接递送至线粒体靶点，
可躲避胞浆及核的耐药机制，
如避免
P-gp
糖蛋白的外排，克服多药耐药， 提高化疗效果。

Zhang
等通过构建线粒体靶向药物递释系统递送
DOX
至肿瘤细胞线粒体，
加剧了肿瘤耐药
细胞的死亡。如图
4.1
所示， 以
TPP
修饰生育酚聚乙二醇琥珀酸酯
(TPGS)
与碳量子点
(C QDs)
自聚集形成胶束，包裹
DOX
，构建线粒体靶向药物递释系统
CQD s-TPGS-TPP/DOX
。该制剂一方
面通过
TPGS
抑制
P -gp
糖蛋白的过表达，另一方面通过将
DOX
直接递送至线粒体靶点，避免
P-gp
糖蛋白的外排，大幅度杀伤肿瘤耐药细胞，克服了多药耐药。



图
4.1
线粒体靶句药物递释系统克服肿瘤多药耐药示意图

2.2
抑制肿瘤转移


肿瘤转移是导致肿瘤患者死亡的主要 原因。
手术及化疗等传统治疗方法，
可消除患者大部
分肿瘤组织，
却无法抑制 肿瘤的复发与转移。
磷酸肌醇
-3-
激酶
(
Phosphoinositide-3
kinases,
PI3K)
是 一种蛋白激酶，在很多癌症患者中均存在
PI3K
异常，以
PI3K
为治疗靶 点开发的多种
PI3K
抑制剂，已处于不同的临床验证阶段，但其效果并不理想。近来，
Caino
等发现单独使用
PI3K
抑制剂进行癌症治疗，可能会促进肿瘤细胞的侵 袭性而转移至其他器官，导致患者病情
恶化，
这一过程主要依赖于线粒体功能应答。
如 图
4.2
所示，未经抑制剂药物处理的细胞，其
线粒体主要围绕细胞核分布，而用PI3K
抑制剂
(GDC-0941)
处理肿瘤细胞，会引起线粒体向细
胞膜特定区域移动，
线粒体占据细胞周围骨架这一重要位置能够为细胞迁移和侵袭提供大量能
量 ，这表明细胞运动和侵袭能力增强。
PI3K
抑制剂药物，依赖于线粒体参与细胞膜骨架的重< br>新分配，
提供细胞运动性、
迁移性所需的能量与动力，
促进肿瘤转移和侵袭。< br>因此，
开发
PI3K
抑制剂药物时，
可联合线粒体靶向药物递释系统干 预肿瘤转移时的能量代谢过程，
进而抑制肿
瘤转移。