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       纳米药物接触生物体液后,其表面将迅速吸附蛋白质,形成蛋白涂层,这种结构就是蛋白冠(PC)。PC 富含调理(opsonin),可增加单核吞噬细胞系统(MPS)识别和清除纳米药物。MPS 是静脉注射纳米药物的第一道也是主要的障碍,导致给药后大部分都损失掉。近年来人工设计PC备受关注,可以使纳米药物屏蔽MPS的识别和清除,甚至具有靶向能力以提高治疗效果。目前纳米粒子的体外设计已有广泛探索,然而其在体内形成的PC与预期总是不一致,因此非常需要开发一种PC调节方法以适应体内复杂动态的生理环境。

近日,西北大学樊海明教授团队发表了一篇题为“Magnetothermal regulation of in vivo protein corona formation on magnetic nanoparticles for improved cancer nanotherapy”的文章。该研究设计了一种新型磁热调节方法,通过蛋白质组学检测,发现该方法可以原位调节体内氧化铁纳米颗粒(IONPs)的(PC)组成,进而改善药代动力学以促进癌症纳米治疗功效。

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蛋白冠(PC)在体内的磁热调节示意图

Magnetothermal regulation of in vivo protein corona formation on magnetic nanoparticles for improved cancer nanotherapy

磁热调节体内磁性纳米颗粒上的蛋白冠形成进而改善癌症纳米治疗

期刊:Biomaterials(一区)

影响因子:12.471

样本类型:小鼠血液

检测方法:label free蛋白质组学



主要结果展示

1. PC在IONPs上的体外磁热调节

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通过蛋白质组学测定有交变磁场(AMF+)和无交变磁场(AMF-)处理的氧化铁纳米颗粒(IONPs)上蛋白冠(PC)的组分变化。


蛋白功能分类:

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AMF-的PC中鉴定到了216个蛋白,根据生物学功能进行分类分为脂蛋白、免疫球蛋白、补体蛋白、凝血因子、急性时相蛋白、组织渗漏蛋白等。在AMF+处理的PC中,免疫球蛋白、脂蛋白和机型时相蛋白的数量降低,补体蛋白和参与凝血的蛋白数量增加。


蛋白数量比较:

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同时,AMF处理前后蛋白总数没有显著差异,以上结果说明磁热调节方法主要改变PC的组成,而对吸附的数量影响不大。


蛋白表达差异:

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      对吸附在IONPS上前20的蛋白进行表达差异分析。根据是否促进或抑制巨噬细胞对纳米材料的吞噬作用,将这20个蛋白质分为3大类:调理素(opsonin)、dysopsonin和其他。调理素可以提高免疫识别和巨噬细胞捕获纳米颗粒的可能性,导致单核吞噬细胞系统(MPS)快速清除纳米颗粒。而dysopsonin则可以使纳米颗粒避免MPS吞噬,在体内实现更长的循环时间。

       在AMF-中共筛选到8种调理素蛋白,经AMF磁热调节后,有7种含量均降低,包括载脂蛋白B100(Apod)、补体蛋白C3(补体系统的核心成分)。而dysopsonin的Cfh(补体激活负调控因子)和 Alb上调表达。以上结果说明,磁热调节后PC组分的表达变化有利于纳米离子免受MPS吞噬。


2. 磁热调节PC的机制

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随磁场强度(H)的增加:又双叒叕一IF12.471客户文章见刊! |拜谱蛋白质组学技术助力癌症纳米治疗研究

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免疫球蛋白和补体蛋白占总蛋白的比例降低。


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前20个蛋白中大部分opsonin降低,以Apod下降最多:

大部分dysopsonin增加,如Alb和Clu。

以上结果说明,PC的磁热调节与磁场有关,这可能与IONPs的热感应能力密切相关。高磁场强度时,加热能力强,PC组分表达变化更明显。


3. 体内磁热调节对药代动力学的影响

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IONPs体内循环时间:

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AMF处理后,IONPs在体内的消除半衰期有所延长,并且其在体内的循环时间与磁场强度成正相关。


通过蛋白质组学测定不同磁场强度的蛋白冠(PC)分租变化,蛋白质组学结果:

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与体外结果一致,体内磁热调节后,opsonin水平降低,dysopsonin升高。


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随磁场的增加,体内调控dysopsonin/opsonin的比值也增加

       以上结果表明,AMF有效延长IONPs在体内的循环半衰期,这可能是通过原位调节PC的opsonin和dysopsonin水平所致。

       由于肝脏和脾脏是单核吞噬细胞系统(MSP)清除纳米颗粒的主要组织,作者利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定了AMF处理前后IONPs在两个组织中的分布:与对照组相比,AMF处理后IONPs在肝脾的累积减少,

       并与磁场强度呈负相关。同时,DAB染色结果也显示,AMF处理后的IONPs在肝脾中减少。交变磁场(AMF)处理后,IONPs在正常小鼠的肝脏和脾脏中减少

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交变磁场(AMF)处理后,IONPs在正常小鼠肝脏和脾脏中减少


4. 体内癌症治疗应用

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        利用小鼠皮下乳腺癌模型评估磁调节后磁热疗法(MHT)的递送疗效:AMF处理IONPs后立即注射,然后在指定时间点进行MHT。结果发现:AMF处理的IONPs在癌症小鼠的肝脾中减少,在肿瘤组织中增加;IONPs/AMF/MHT的肿瘤抑制效果强于IONPs/AMF和IONPs/MHT,并且体重没有减轻。

以上结果说明体内磁热调节确实可以提高荷瘤小鼠肿瘤组织中的IONPs积累和MHT疗效。

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体内磁热传递评估


5.总结

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该研究利用蛋白质组学技术,发现磁热调节后纳米药物的蛋白冠组分比例发生变化,从而减少了被体内巨噬细胞吞噬,延长了在体内的循环时间,进而改善了纳米药物治疗癌症的功效。

参考文献:

Zhang T, Li G, Miao Y, Lu J, Gong N, Zhang Y, Sun Y, He Y, Peng M, Liu X, Liang XJ, Fan H. Magnetothermal regulation of in vivo protein corona formation on magnetic nanoparticles for improved cancer nanotherapy. Biomaterials. 2021 Jul 10;276:121021. doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.121021. Epub ahead of print. PMID: 34274776.


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