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IF:14.3《AS》深大醫(yī)學院吳松:自推進原位聚合納米粒子激活STING通路增強膀胱癌免疫治療
專欄:學術前沿
發(fā)布日期:2025-05-14
作者:創(chuàng)賽科研

膀胱癌作為泌尿系統(tǒng)常見的惡性腫瘤,其治療面臨著諸多挑戰(zhàn)。盡管膀胱獨特的解剖結構為腔內灌注治療提供了便利,但傳統(tǒng)的灌注化療存在藥物滯留時間短、腫瘤穿透性差等局限性,導致治療效果不盡理想。

近年來,免疫治療雖然在晚期癌癥中顯示出良好的應用前景,但其療效高度依賴于腫瘤微環(huán)境(TME)的免疫表型。研究表明,STING信號通路在調節(jié)腫瘤免疫應答中發(fā)揮著雙重作用:一方面,該通路的激活可以促進I型干擾素分泌,增強抗腫瘤免疫;另一方面,持續(xù)的STING激活可能促進腫瘤轉移和耐藥。這種復雜性使得如何精確調控STING通路成為提高膀胱癌治療效果的關鍵科學問題。此外,傳統(tǒng)納米藥物遞送系統(tǒng)在膀胱灌注治療中仍面臨藥物快速清除、腫瘤靶向性不足等挑戰(zhàn),亟需開發(fā)新型藥物遞送策略。


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針對上述問題,深圳大學醫(yī)學院華南醫(yī)院泌尿外科吳松教授團隊提出了一種創(chuàng)新的自驅動原位聚合納米藥物灌注系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心設計包括:1)利用多巴胺在膀胱內原位聚合形成聚多巴胺(PDA)納米載體,實現(xiàn)藥物的高效包載和可控釋放;2)在納米顆粒表面修飾脲酶,利用膀胱內尿素作為燃料產(chǎn)生自主驅動力,顯著提高藥物在膀胱黏膜的滯留和滲透;3)將STING激動劑cGAMPMn2?共載于納米顆粒中,協(xié)同激活STING信號通路,促進樹突狀細胞成熟和T細胞活化。這種"原位聚合+自驅動"的復合設計具有多重優(yōu)勢:首先,膀胱內原位聚合避免了納米顆粒在遞送過程中的解離,確保藥物穩(wěn)定釋放;其次,脲酶驅動的自主運動顯著延長了藥物在膀胱的作用時間;最后,STING通路的精準激活有效改善了腫瘤免疫微環(huán)境。該研究首次將原位聚合技術與微納米機器人技術相結合,為膀胱癌的局部治療提供了全新的解決方案,在提高藥物遞送效率的同時增強了抗腫瘤免疫應答,具有重要的臨床轉化價值(圖1)。相關研究在2025年3月26日以“Self-Propelled In Situ Polymerized Nanoparticles Activating the STING Pathway for Enhanced Bladder Cancer Immunotherapy”為題發(fā)表于Advanced Science》(DOI: 10.1002/advs.202502750)上。


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圖1 原位聚合納米藥物的制備和納米顆粒形成機制的示意圖

(1)DMCU的制備與表征

體外首先合成了DMCU納米顆粒并進行表征。采用一鍋法在pH 8.5 Tris-HCl緩沖體系中聚合多巴胺、Mn2?cGAMP形成DMC,隨后加入脲酶攪拌制備DMCU(圖2a)。DLS測定顯示,DMCU平均粒徑為193±27.6 nm(圖2b),DA和DMC分別為276±43.5 nm(圖2c)和206 nm(圖2d)。各組zeta電位測定結果為:DA -12.12±0.71 mV,DM -16.09±0.25 mV,DMC -16.36±1.23 mV,DMCU -17.39±0.57 mV(圖2e)。在pH 8.5 Tris-HCl體系中,DMCU平均zeta電位為15.79±2.75 mV(圖2f)。穩(wěn)定性實驗表明,在人工尿液中48小時后DMCU粒徑增至1909±132.34 nm,PBS中為1076±57.66 nm,雙蒸水中保持穩(wěn)定(745±17 nm)。紫外可見光譜顯示DMCU在480 nm處具有特征吸收峰(圖2g)。透射電鏡證實所有納米顆粒均呈不規(guī)則球形并具有粘附特性(圖2g)。能譜分析驗證了Mn2?、cGAMP和脲酶的成功負載(圖2h)。聚合過程觀察顯示,DA組聚合較慢,而DM、DMC和DMCU組聚合速率逐漸加快。載藥量測定顯示DMCU對Mn2?的載藥率為76.2%。釋放實驗表明,人工尿液中Mn2?在10小時達到釋放峰值,而PBS中48小時后仍處于釋放上升階段(圖2i)。


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圖2 a) 自推進原位聚合納米藥物的聚合過程示意圖。b-d) 納米藥物 DA、DMC 和 DMCU 在聚合完成前不同時間點的粒徑變化。e) 離心和純化后 DA、DM、DMC 和 DMCU 的 Zeta 電位測量。f) 原位聚合環(huán)境(Tris-HCl,pH 8.5)中 DMCU 的 Zeta 電位隨時間的變化。g) 使用紫外可見光譜法測量 DA 和 DMCU 在不同時間點的吸收峰變化。h) 通過 EDS 映射分析了 DMCU 的 TEM 圖像及其元素組成。脲酶是一種含鎳寡酶,其活性中心需要鎳離子才能發(fā)揮催化作用。每個脲酶分子通常含有兩個鎳離子,對應的質量百分比約為 0.024%。由于鎳的含量有限,為了更好的可視化,其位置已用黃色虛線突出顯示。i)通過電感耦合等離子體光譜法(ICP)檢測不同時間點DMCU在人工尿液(pH 6.5)和PBS溶液(pH 7.4)中的釋放情況

(2)DMCU的自推進性能和膀胱保留

為驗證脲酶對DMCU的驅動作用,在不同濃度尿素溶液(0、50、100、200 mM)中進行了運動軌跡分析。結果顯示DMCU運動軌跡隨尿素濃度增加顯著延長(圖3a),均方位移(MSD)與時間呈線性關系(圖3b)。擴散系數(shù)(Deff)(圖3c)和運動速度(圖3d)均與尿素濃度呈正相關。膀胱腫瘤小鼠尿液檢測顯示尿素濃度為573.0±12.6 mM。在真實尿液中,DMCU表現(xiàn)出有效運動軌跡,而未修飾DMC僅顯示布朗運動,兩組MSD、Deff和速度存在顯著差異(圖3e-h)。體內實驗顯示,原位聚合DMCU組(ISP-DMCU)在灌注120小時后仍保持強熒光信號,而其他兩組信號顯著減弱或消失(圖3i)。膀胱黏膜穿透實驗表明,ISP-DMCU組在黏膜下仍能觀察到更強的Cy5.5熒光信號。


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圖3 DMCU 的運動性能。a) 典型的運動軌跡(超過 25 秒)、b) MSD、c) 擴散系數(shù) (D eff ) 和 d) DMCU 機器人在不同尿素濃度的 PBS 溶液中的速度。e) 典型的運動軌跡、f) MSD、g) D eff和 h) 膀胱腫瘤小鼠尿液中未修飾和尿素酶修飾的 DMCU 的速度。i) 在膀胱癌小鼠模型中,膀胱內注射外源聚合 (ESP) Cy5.5 標記的 DMC、原位聚合 (ISP) DMC 和原位聚合 DMCU 藥物。在 120 小時內監(jiān)測每個納米顆粒在膀胱中的保留時間

(3)DMCU的體外抗腫瘤活性和細胞攝取

體外抗腫瘤實驗結果顯示,DMC對MB49細胞的細胞毒性顯著高于其他組別(DA、DM、MC)(圖4a-d)。細胞凋亡分析表明DMC組的細胞凋亡率達73.1%,明顯高于其他組(圖4e,f)。Calcein-AM/PI染色和CLSM觀察證實DMC具有強細胞毒性(圖4g)。集落形成實驗顯示DMC顯著抑制MB49細胞增殖(圖4h,j)。細胞攝取實驗表明,DMC@Cy5.5與MB49細胞共孵育4小時后主要定位于細胞質(圖4k)。流式細胞術檢測顯示細胞內紅色熒光強度隨孵育時間增加,7小時達到峰值(圖4i)。


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圖4 DMCU 對腫瘤細胞的攝取和細胞毒性的體外評估。a–d) 使用 N-四甲基對苯二胺方法評估不同組原位聚合納米粒子 (DA、DM 和 DMC) 和不同濃度的游離尿素酶對 MB49 細胞活力的影響。e,f) MB49 細胞凋亡的 FCM 分析圖和半定量評估。g) 用 Calcein-AM (綠色,活細胞) 和 PI (紅色,死細胞) 染色的 MB49 細胞的 CLSM 圖像。h,i) 用結晶紫染色的 MB49 細胞集落和半定量分析。j) FCM 圖譜顯示 MB49 細胞在不同時間點對 DMC 的細胞內攝取。k) DMC@Cy5.5與 MB49 細胞共培養(yǎng) 1、4 和 7 小時的 CLSM 圖像

(4)DMC誘導的DNA損傷和cGAS/STING通路的激活

研究表明Mn2?通過促進DNA損傷釋放dsDNA片段,經(jīng)cGAS識別后促進cGAMP合成,進而激活STING通路(圖5a)。免疫熒光檢測顯示DMC組γ-H2AX表達顯著增加,證實其誘導DNA損傷并激活STING通路(圖5f,l)。P-STING免疫標記顯示DMC組磷酸化STING表達顯著升高。Western blot分析表明DMC處理組磷酸化STING、IRF3和TBK1表達明顯上調,而組蛋白H2AX無顯著差異(圖5b-e)。在免疫激活方面,與骨髓來源樹突細胞(BMDCs)共培養(yǎng)后,DMC組成熟BMDCs比例最高(37.6%)(圖5j,k)。ELISA檢測顯示DMC組上清液中IFN-β、IL-6和TNF-α水平顯著高于其他組(圖5g-i)。結果表明DMC通過誘導DNA損傷激活cGAS-STING通路,促進DC成熟并增強抗腫瘤免疫應答。


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圖5 DMC 在體外研究 DNA 損傷機制和 STING 通路激活。a) 腫瘤細胞中的 STING 通路及其對樹突狀細胞 (DC) 成熟的促進作用示意圖。b) STING 通路相關蛋白的 Western blot 分析,以 β-Actin 和 GAPDH 作為內參。c–e) 基于灰度分析的 STING 通路相關蛋白 Phos-TBK1、Phos-STING 和 Phos-IRF3 表達水平的半定量統(tǒng)計分析。f) CLSM 圖像顯示用不同藥物處理的 MB49 細胞中的 γ-H 2 AX(藍色,DAPI;綠色,γ-H 2 AX)。g–i) DC 上清液中 TNF-α、IL-6 和 IFN-β 的細胞因子水平(n = 3 個 DC 培養(yǎng)皿)。j,k) 與用 PBS、DA、MC、DM 和 DMC 處理的 MB49 細胞共培養(yǎng)時 DC 激活的 FCM 結果。 l)對不同納米藥物處理的MB49細胞中γ-H 2 AX表達進行半定量統(tǒng)計分析

(5)DMCU的生物安全性和體內功效

體內安全性評估顯示,DMCU處理組小鼠體重及血清肝功能(AST、ALT)、腎功能(BUN、CREA)指標均處于正常范圍主要器官H&E染色未見明顯病理改變。在MB49-Luc原位膀胱癌模型中,DMCU組經(jīng)兩次治療后腫瘤熒光信號顯著減弱(圖6c)。治療30天后,DMCU組膀胱體積和重量顯著低于其他組(圖6d,e),生存率達100%(圖6f)。治療終點(21天)膀胱H&E染色顯示DMCU組腫瘤體積最小、侵襲性最低。腫瘤組織TUNEL檢測顯示DMCU組凋亡細胞信號顯著增強(圖6j),Ki-67免疫組化證實該組腫瘤細胞增殖活性最低(圖6j)。結果表明DMCU具有良好生物安全性,能有效抑制膀胱腫瘤生長并提高生存率。


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圖6 DMCU對體內腫瘤生長的抑制作用。a)PBS、DA、DM、DMC、DMCU膀胱灌注治療后,治療方案示意圖及膀胱癌熒光值變化。b)治療期間各治療組小鼠體重變化曲線。c)治療周期內各治療組小鼠膀胱腫瘤熒光變化統(tǒng)計圖。d)觀察周期末各治療組小鼠膀胱重量統(tǒng)計圖。e)觀察周期末膀胱腫瘤代表性照片和f)各治療組小鼠生存曲線。g-i)PBS、DA、DM、DMC、DMCU治療小鼠血清細胞因子TNF-α、IL-6、IFN-β變化。j)不同藥物治療小鼠腫瘤組織TUNEL(上)和Ki-67(下)染色結果

(6)DMCU的體內免疫激活作用

體內免疫激活實驗顯示,DMCU組血清中TNF-α、IL-6和IFN-β水平顯著高于對照組(圖6g-i)。流式細胞術分析證實DMCU組膀胱腫瘤組織中DC成熟率最高(52.2%)(圖7a)。在脾臟和膀胱組織中,DMCU組CD4? T細胞比例分別為18.8%和16.7%(圖7b),CD8? T細胞比例分別為22.3%和8.76%(圖7c),均顯著高于其他組。記憶T細胞(TEM)激活分析顯示DMCU組脾臟TEM激活率達26.3%。免疫熒光染色顯示DMCU組膀胱組織中CD4?和CD8? T細胞浸潤顯著增加(圖7d)。結果表明DMCU能有效激活STING通路,促進DC成熟、T細胞活化和免疫記憶反應。


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圖7 DMCU通過STING通路增強體內抗腫瘤免疫反應。a) 不同治療方案小鼠膀胱腫瘤DC活化的FCM及統(tǒng)計學分析。b) 不同藥物治療小鼠膀胱腫瘤及脾臟CD4 +和c) CD8 + T細胞活化的FCM及統(tǒng)計學分析。e) 免疫熒光染色不同藥物治療小鼠腫瘤組織CD4(上)和CD8(下)染色

 研究小結 

該研究開發(fā)了一種自推進式原位聚合納米藥物系統(tǒng),可有效激活STING通路。Mn2+和cGAMP的結合顯著增強了STING的激活并增強了免疫反應,從而調節(jié)腫瘤微環(huán)境(TME),改善腫瘤治療效果。通過膀胱灌注遞送納米藥物系統(tǒng)模擬當前的臨床治療方案,原位聚合與尿素酶驅動推進的結合顯著改善了納米顆粒的滯留和藥物遞送,從而顯著提高了抗腫瘤療效。該方法為臨床腫瘤治療提供了一種有前景的創(chuàng)新策略。


上一頁:IF:15.8《ACS》吉林大學馮守華:基于UiO-66 MOFs的“納米聲敏劑”超聲驅動級聯(lián)免疫療法對抗B細胞淋巴瘤
下一頁:IF:27.4《AM》南開大學余志林:肽的原位液-液相分離成靶向無膜細胞器的液滴以增強癌癥化療

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