​公認的EPR效應翻車瞭,一天內連發三篇《Nature Materials》:腫瘤治療的挑戰和機遇

1、對納米藥物輸送機制的質疑

由於腫瘤生長速度明顯高於正常組織,腫瘤血管內皮細胞之間存在缺陷,排列不緊密,具有滲透性,且腫瘤內部淋巴引流不足,血液流速較低,納米粒子一旦進入,便會被滯留在腫瘤部位,這種現象稱為EPR(enhanced permeability and retention)效應EPR效應自上世紀80年代末報道以來,被公認為是納米粒子在腫瘤部位富集的主要因素。但近期,多倫多大學的Warren C. W. Chan團隊探討瞭納米顆粒的腫瘤滲透現象,並對納米粒子進入實體腫瘤的機制提出瞭質疑。充分的證據表明,轉胞吞作用可能是納米粒子在腫瘤部位富集的主要機制。該文以“The entry of nanoparticles into solid tumours”為題發表在Nature Materials上。由於結論顛覆瞭以往認知,該文一出便受到研究者廣泛關註,Nature Materials一天內刊登瞭關於該文的社論、新聞與觀點、評論文章三篇文章,呼籲進一步探究腫瘤治療的挑戰與未來。

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內皮細胞間的間隙被認為是EPR效應的主導因素之一,但是作者通過研究觀察發現,內皮細胞間隙出現的頻率並不高。在所有腫瘤模型中,作者觀察瞭313根血管,隻發現26處間隙,總間隙覆蓋率僅為血管表面積的0.048%,內皮間間隙的數量比實驗測量的納米粒子積累的數量少60倍。這雖然為EPR效應提供瞭證據,但不能充分解釋納米粒子在腫瘤部位的富集現象。

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圖1 腫瘤血管系統大部分是連續的,間隙出現的頻率很低

然後作者研究瞭轉胞吞作用對納米粒子在腫瘤部位富集的影響。胞吞作用是一種需要內皮細胞重新排列細胞骨架和細胞膜的活性代謝過程,包括形成可以吸收納米顆粒的囊泡,形成稱為孔壁的橫膈膜或通過細胞質轉運。作者制備瞭三種尺寸((15 nm、50 nm和100 nm)的金納米粒子AuNPs,在TEM照片中明顯觀察到轉運AuNPs的囊泡,且AuNPs與腫瘤血管內皮細胞有明顯相互作用並被後者吸收,為轉胞吞提供瞭直接證據。

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圖2 納米粒子可以通過跨內皮途徑進入腫瘤

考慮到兩種機制的共存,作者進一步對哪種機制起到主導作用進行瞭驗證。通過建立小鼠模型,使其在保留血管結構的同時喪失其他細胞活性,將被動的內皮細胞間隙因素和主動的轉胞吞作用分離。結果發現,當阻斷轉胞吞途徑後,AuNPs在腫瘤部位的富集量明顯減少。進一步通過數據分析,經內皮細胞間隙滲漏進入腫瘤的AuNPs隻占總數的3-25%(取決於AuNPs的粒徑)。以上這些結果顛覆瞭早期人們對EPR效應的理解,極有可能影響後期納米藥物的設計思路。

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圖3 Zombie小鼠模模型保留瞭動物體內血管的結構

2、對納米藥物發展瓶頸的新認知

這篇社論審視瞭納米藥物在臨床應用上遇到的瓶頸,坦言傳統的EPR效應機制受到瞭挑戰。哈佛大學的David MooneyIrene de Lázaro對該文進行總結,強調這些顛覆性的發現,並呼籲人們重新審視在納米粒子傳遞機制方面建立已久的模式。

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這不是EPR效應第一次受到爭議,近年來,跨物種和腫瘤類型的血管系統異質性,以及腫瘤微環境其他參數的可變性,讓人們對EPR效應產生懷疑。過去30年裡,為癌癥治療開發的納米藥物層出不窮,設計越來越復雜。但到目前為止,隻有10種納米藥物通過瞭FDA的審批僅有14%的藥物顯示有臨床療效。研究表明,經系統給藥後,僅有0.7%的納米藥物到達實體腫瘤。毫無疑問,納米藥物在癌癥治療中是有益的。作為化療藥物的載體,它們通過限制全身毒性,極大地增強瞭患者的耐受性。然而,令人遺憾的是,高流失率導致人們對納米醫學的效力產生瞭一些懷疑。納米藥物的療效差主要是因為納米粒子在腫瘤中的積累不足和藥代動力學差。

作者的研究結果讓人們註意到這個領域對腫瘤外溢機制的有限理解,以及對EPR效應的關註可能混淆瞭納米藥物的設計。其他的納米顆粒參數,包括材料組成、幾何形狀、表面化學、電荷和機械性能等,都會影響其與生物屏障的相互作用,並可能影響其外滲作用的相對重要性和具體機制。

3、轉胞吞作用於癌癥納米醫學的新機遇

雖然作者的結果表明,轉胞吞作用確實可以作為納米粒子進入實體腫瘤的主導機制,但他們隻研究瞭三種尺寸的AuNPs,EPR效應對15 nm、50 nm、100 nm的AuNPs在腫瘤富集的貢獻分別為12%、3%和25%,這種趨勢與通常的認知不符,因此,可能存在更為復雜的途徑影響瞭50 nm粒子的EPR效應,有待進一步研究。

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目前,關於胞吞作用的機制細節,以及觸發納米粒子在血管內皮內的細胞攝取、運輸和釋放的結構因素,我們知之甚少。有研究表明,受體-糖蛋白結合、電荷反轉過程可以觸發轉胞吞作用。抗體、核酸、多肽甚至碳水化合物等大分子都可以附著在納米顆粒表面進行選擇性靶向和轉運。伊利諾伊大學的聶書明和同事表示,這些發現應該激勵研究人員開發利用主動轉胞吞作用提高遞送效率的技術,包括使用腫瘤穿膜肽、設計陽離子聚合物偶聯物、允許吸附介導的主動胞吞作用等。

除瞭轉胞吞,利用納米技術增強免疫響應為腫瘤治療提供瞭新思路。與設計需要克服血管內皮細胞屏障的納米粒子相比,利用免疫細胞摧毀腫瘤更為有效。首先,隻需要激活一小部分免疫細胞就能引起抗腫瘤免疫響應,而傳統化療等都需要向腫瘤輸送大量藥劑,造成嚴重的副作用。其次免疫治療會產生免疫記憶,有效防止腫瘤復發,同時還能有效抑制腫瘤向遠端轉移。納米粒子能夠實現多種免疫藥物的同時輸送,通過多種機制誘導免疫反應,因此,利用納米載體向腫瘤特異性輸送免疫藥物將會是一個很有前景的方向。此外,納米粒子獨特的光學性質可以與治療性相結合,開發用於癌癥免疫治療的多模式藥物載體。

4、專傢建議

也許,正是人們對EPR效應的高估造成瞭納米藥物發展的瓶頸。為瞭理解納米粒子與人體相互作用的基本原理,哈佛大學的David MooneyIrene de Lázaro呼籲科學界應該將更多的註意力轉向基礎研究。該領域還應該與生命科學傢和腫瘤學傢進行更密切的合作,因為他們對腫瘤生物學和患者特異性有更好的認識。最終,為瞭在癌癥納米醫學上取得進展,還需要更多大膽的研究來真正挑戰現有的模式。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0566-2

參考文獻:

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0676-x

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0669-9

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0672-1

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