研究揭示了不同的癌细胞如何响应药物输送纳米颗粒

麻省理工学院以及麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的研究人员进行的一项新研究结果可能有助于克服纳米颗粒药物开发的一些障碍。研究小组分析了35种不同类型的纳米颗粒与近500种癌细胞之间的相互作用，揭示了影响这些细胞是否吸收不同类型纳米颗粒的数千种生物特征。

研究人员希望这些发现可以帮助研究人员更好地针对特定类型的癌症定制药物递送颗粒，或者设计利用特定类型癌细胞的生物学特征的新颗粒。“我们对我们的发现感到兴奋，因为这实际上只是一个开始——我们可以使用这种方法来确定哪种类型的纳米颗粒最适合针对某些细胞类型，从癌症到免疫细胞以及其他类型的健康和患病器官细胞，”麻省理工学院教授、化学工程系主任、麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员PaulaHammond博士说道。“我们正在了解表面化学和其他材料特性如何在靶向中发挥作用。”

哈蒙德是研究人员在《科学》杂志上新发表的研究的资深作者，该研究的标题是“大规模并行联合筛选揭示了纳米颗粒递送的基因组决定因素”。该论文的主要作者是NatalieBoehnke博士，她是麻省理工学院的博士后，即将加入明尼苏达大学;JoelleStraehla博士，科赫研究所的CharlesW.和JenniferC.Johnson临床研究员，也是哈佛医学院和达纳法伯癌症研究所的儿科肿瘤学家。

作者指出，基于纳米颗粒(NP)的疗法在个性化癌症治疗方面具有巨大潜力，因为它们可以封装一系列治疗药物，包括小分子、生物制剂和核酸。“载有治疗药物的纳米粒子可以被设计来防止货物发生不需要的降解，增加循环时间，并引导药物专门针对肿瘤。”然而，虽然使用纳米粒子递送抗癌药物提供了一种用大剂量药物攻击肿瘤的方法，同时避免化疗经常带来的有害副作用，但到目前为止，只有少数基于纳米粒子的抗癌药物获得了FDA的批准。

“成功靶向纳米粒子递送的一个挑战是对目标递送位点的纳米生物相互作用的不完全理解。”尽管在理解纳米颗粒的特定物理和化学特性如何影响运输和摄取方面已经取得了进展，但他们表示，“迄今为止，对多个纳米颗粒参数组合的综合评估仍然难以实现。”此外，癌症靶点的生物多样性意味着“全面了解哪些NP特性决定了成功的贩运和药物输送是极具挑战性的。”

哈蒙德的实验室此前已开发出多种类型的纳米颗粒，可用于将药物输送到细胞中。哈蒙德实验室和其他人的研究表明，不同类型的癌细胞通常对相同的纳米颗粒有不同的反应。加入哈蒙德实验室时正在研究卵巢癌的Boehnke和研究脑癌的Straehla在他们的研究中也注意到了这一现象。

研究人员假设细胞之间的生物学差异可能导致它们反应的变化。“在精准医学时代，由于希望向癌细胞内的特定亚细胞区室提供分子靶向和基于基因的治疗，因此必须全面探讨纳米颗粒的结构与功能关系，因为它们与细胞相互作用有关，”作者补充道。为了弄清楚这些差异可能是什么，他们决定进行一项大规模研究，观察大量不同的细胞与多种类型的纳米粒子的相互作用。

Straehla最近了解了BroadInstitute的PRISM该平台旨在让研究人员能够同时快速筛选针对数百种不同癌症类型的数千种药物。在麻省理工学院生物工程副教授AngelaKoehler博士的帮助下，该团队决定尝试调整该平台来筛选细胞-纳米颗粒相互作用，而不是细胞-药物相互作用。“使用这种方法，我们可以开始思考细胞的基因型特征是否可以预测它会吸收多少纳米粒子，”博恩克说。正如研究人员在论文中解释的那样，“为了全面捕捉泛癌的复杂性，并利用统计能力将NP关联与细胞内在特征联系起来，

为了进行筛选，研究人员使用了来自22个不同来源组织的488个癌细胞系。每种细胞类型都带有独特的DNA序列“条形码”，使研究人员能够在以后识别细胞。对于每种细胞类型，还提供有关其基因表达谱和其他生物学特征的广泛数据集。

研究人员还制造了35个纳米颗粒，每个纳米颗粒都有一个核心，其中包括脂质体(由许多称为脂质的脂肪分子制成的颗粒)、一种称为PLGA的聚合物或另一种称为聚苯乙烯的聚合物。研究人员还在颗粒上涂覆了不同类型的保护性或靶向分子，包括聚乙二醇、抗体和多糖等聚合物。这使他们能够研究颗粒的核心成分和表面化学的影响。

研究人员与BroadInstitute的科学家(包括PRISM实验室主任JenniferRoth)合作，将数百个不同细胞池暴露于35种不同纳米颗粒中的一种。每个纳米颗粒都有一个荧光标签，因此研究人员可以使用细胞分选技术根据细胞在暴露4小时或24小时后发出的荧光量来分离细胞。

根据这些测量结果，为每个细胞系分配一个分数，代表其对每个纳米颗粒的亲和力。然后，研究人员使用机器学习算法来分析这些分数以及每个细胞系可用的所有其他生物数据。他们解释说：“使用机器学习算法，我们识别了预测生物标志物，这些标志物聚集形成相互关联的蛋白质-蛋白质相互作用网络，识别介导纳米颗粒运输的细胞特征。”

该分析产生了数千个与不同类型纳米粒子的亲和力相关的特征或生物标记。这些标记中有许多是编码细胞机制的基因，这些细胞机制需要结合颗粒、将它们带入细胞或处理它们。其中一些基因已知参与纳米粒子运输，但许多其他基因是新的。“我们发现了一些我们预期的标记，我们还发现了更多尚未探索的标记。我们希望其他人可以使用这个数据集来帮助扩展他们对纳米粒子和细胞如何相互作用的看法，”Straehla指出。

研究人员挑选了他们识别的生物标志物之一，即一种名为SLC46A3的蛋白质，进行进一步研究。PRISM筛选表明，高水平的这种蛋白质与脂质纳米颗粒的极低摄取相关。他们写道：“我们发现SLC46A3(一种溶酶体转运蛋白)的表达是一种负调节因子，也是基于脂质的NP摄取和下游功能功效的潜在生物标志物。”

当研究人员在黑色素瘤小鼠模型中测试这些颗粒时，他们发现了相同的相关性。研究结果表明，这种生物标志物可用于帮助医生识别其肿瘤更有可能对基于纳米颗粒的疗法产生反应的患者。“由于目前FDA批准的用于抗癌应用的所有NP都是脂质体制剂，因此该生物标志物具有显着的潜力，可以利用现有的已批准制剂在临床研究中快速实施，”该团队建议。“我们的研究结果支持继续探索SLC46A3作为治疗性NP递送的潜在生物标志物。”

现在，研究人员正试图揭示SLC46A3如何调节纳米颗粒摄取的机制。如果他们能够发现降低这种蛋白质细胞水平的新方法，这可能有助于使肿瘤更容易受到脂质纳米粒子携带的药物的影响。研究人员还致力于进一步探索他们发现的其他一些生物标志物。

这种筛选方法还可用于研究研究人员在本研究中未研究的许多其他类型的纳米粒子。“对于其他未被发现的生物标志物来说，我们只是没有捕获它们，因为我们还没有筛选它们，”Boehnke说。“希望这能激励其他人开始以类似的方式研究他们的纳米粒子系统。”

作者进一步总结道：“这项工作代表了通过多组学的视角对纳米颗粒与癌细胞相互作用的高通量研究。我们的分析提供了一个框架，该框架将促进纳米生物相互作用的研究并推进纳米载体的合理设计……这为科学界提供了介导纳米粒子参与的细胞过程的基础研究蓝图，并应用于基础研究和转化研究。”