Nature Communications | 不影響化療效果且催化活性可調(diào)節(jié)的CeO2納米顆粒阻止化療引起的急性腎損傷
導(dǎo)語
急性腎損傷（AKI）作為腫瘤化療引起的普遍且致命副作用，嚴(yán)重影響化療的癌癥病人。AKI主要表現(xiàn)為由ROS引起的腎細(xì)胞的相關(guān)損傷。降低ROS可以減少療引起的AKI，與此同時(shí)也會降低化療效果。小分子的抗氧化劑N-acetyl cysteine(NAC)是降低氧化損傷對抗化療引起的AKI的一種方式；鉬基多氧甲酸納米團(tuán)簇作為一種納米抗氧化劑可在腎臟中聚集，用以有效保護(hù)腎臟；DNA origami的納米結(jié)構(gòu)也被證實(shí)具有ROS清除能力，用以保護(hù)腎臟結(jié)構(gòu)并改善AKI。然而這類小分子和納米材料的抗氧化作用也會降低腫瘤組織的氧化應(yīng)激，將會刺激腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，因而阻礙它們在化療引起的AKI上的應(yīng)用。
鑒于此，浙江大學(xué)凌代舜課題組在《Nature Communication》上發(fā)表了Catalytic activity tunable ceria nanoparticles prevent chemotherapy-induced acute kidney injury without interference with chemotherapeutics為題的研究，該研究設(shè)計(jì)了一種催化活性可調(diào)的二氧化鈰納米粒子（CNPs），可以防止化療引起的 AKI，但不會干擾化療作用。具體來說，在腎皮層中性環(huán)境中CNP催化分解H2O2，然后通過激活Nrf2/Keap1信號通路來調(diào)節(jié)與ROS有關(guān)的基因表達(dá)，恢復(fù)ROS平衡保護(hù)腎小管；在腫瘤酸性微環(huán)境下，CNP由于高濃度的H+破壞了其活性催化位點(diǎn)進(jìn)而限制其的抗氧化作用，從而不干擾化療生成的ROS來殺死癌細(xì)胞。作為 ROS調(diào)節(jié)劑，CNP這種條件依賴型可調(diào)的催化活性，在癌癥患者的 AKI 臨床預(yù)防和治療方面具有巨大潛力。
圖1 CNPs在小動物體內(nèi)不同組織中由于不同pH而顯示出不同功能的示意圖。
01
CNPs的合成和表征
研究者們采用一種改良的反向微膠團(tuán)方法合成了直徑約3 nm疏水CNPs，并且對其表現(xiàn)進(jìn)行DSPE-PEG2K修飾。CNPs的水合動力學(xué)直徑為9.7 nm，電勢為-20.4 mV。XPS表明了Ce3+和Ce4+共存。CNPs引起H2O2的降解符合米氏動力學(xué)方程。Km在中性條件下比酸性條件下低1.4倍，Vmax高2.1倍。XRD結(jié)果表明CNPs可調(diào)節(jié)的活性不是基于晶體結(jié)構(gòu)的改變。H2O2+2Ce4+→O2+2H++2Ce3++Vo，在酸性環(huán)境中Ce3+可以再回到Ce4+，重新形成活性位點(diǎn)，而非活化的CNP(iCNP)，H2O2和H+滲透的CNPs失去抗氧化活性，且很難逆轉(zhuǎn)。
圖1(a)氯仿中超微CNPs的TEM圖像；(b)經(jīng)DSPE-PEG修飾后的CNPs水相中TEM圖像，其中內(nèi)插圖DLS數(shù)據(jù)表明DSPE-PEG水合直徑分布為9.7nm；(c)CNPs在不同pH下分解H2O2的O2產(chǎn)生量；(d)在中性和酸性pH，CNPs與H2O2反應(yīng)下其不用時(shí)間的拉曼光譜；(e)CNPs pH環(huán)境依賴性表現(xiàn)出的類過氧化氫酶活性差異的化學(xué)模型示意圖。
02
CNPs條件依賴性的細(xì)胞保護(hù)效應(yīng)
順鉑（DDP）是廣泛使用的抗實(shí)體腫瘤藥物，具有腎毒性，究其原因是腎上皮細(xì)胞是DDP誘導(dǎo)腎毒性的主要目標(biāo)。使用HK-2細(xì)胞和ES-2細(xì)胞來研究CNPs對腎臟的pH依賴的保護(hù)作用，實(shí)驗(yàn)表明：在pH7.4時(shí)CNP明顯降低了DDP誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性，在pH=6.6或pH=6.0時(shí)卻不受影響；而小分子抗毒劑NAC在pH=6.6時(shí)仍具有抗毒性。在其它腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞中，如腫瘤細(xì)胞OVCAR8，HepG2，A549和正常的LO2細(xì)胞，CNPs均表現(xiàn)出pH依賴的抗DDP毒的細(xì)胞保護(hù)效應(yīng)。此外CNPs在HK-2細(xì)胞和ES-2細(xì)胞中也具有pH依賴的抗紫杉醇細(xì)胞毒性的作用。
圖2 (a-e) DDP處理，不同濃度的CNPs在不同pH條件下，對HK-2、ES-2、HepG2、A549以及OVCAR8存活率的影響；(f, g) 不同pH條件紫杉醇處理后HK-2和ES-2細(xì)胞的存活率。
03
體內(nèi)水平CNPs對抗化療引起的AKI作用分析
研究者們進(jìn)一步研究了CNPs的藥代動力學(xué)及其在小鼠體內(nèi)的分布情況。組織學(xué)實(shí)驗(yàn)表明CNPs無明顯的細(xì)胞毒性。ICR小鼠腹腔注射DPP誘導(dǎo)AKI，同時(shí)分別靜脈注射生理鹽水、CNPs和iCNP，與正常小鼠相比，AKI小鼠中CNPs積累增強(qiáng)，且在腎上皮中具有更長的保留時(shí)間。生物電鏡顯示，腎髓質(zhì)中的腎小管上皮細(xì)胞纖毛、腎小球基底膜和腎小管上均存在CNPs。這可能與CNPs尺寸小（～3nm），PEG的可形變表面修飾，CNPs的表面負(fù)電荷和腎損傷的抗腎小球基底膜（GBM）滲透增強(qiáng)有關(guān)。在經(jīng)治療的小鼠的尿液中發(fā)現(xiàn)CNPs，這表明CNPs可通過GBM過濾到腎小管并通過尿液排出。包膜窖介導(dǎo)的胞吞作用在CNPs的攝取中發(fā)揮著重要作用。與腎損傷相關(guān)的血清血尿素氮（BUN）和肌氨酸（Cre）以及KIM-1的mRNA，在注射CNPs后的AKI小鼠中均表現(xiàn)為下降，H&E染色顯示CNPs治療有助于改善DDP治療的腎損傷。
圖3 (a) AKI小鼠治療處理和評估的示意圖；(b, c和d) 不同處理后BUN、Cre和KIM-1相關(guān)基因表達(dá)情況；(e) 不同處理后腎小管的損傷程度分析。
04
CNPs在AKI中的抗凋亡作用
研究者們通過CNPs對于細(xì)胞凋亡信號的影響，來探索CNPs減輕AKI的機(jī)理。經(jīng)DDP處理后，HK-2細(xì)胞凋亡率、PARP和caspase-3表達(dá)顯著增加，但再經(jīng)CNPs處理后這些相關(guān)因素顯著下降。因而認(rèn)為CNPs可顯著降低DDP引起的TUNEL凋亡水平。ROS是誘導(dǎo)凋亡的關(guān)鍵因素，CNPs可以清除DDP誘導(dǎo)的內(nèi)源ROS，逆轉(zhuǎn)DDP對于SOD的抑制和MDA的升高。qRT-PCR分析表明CNPs可以降低DDP處理后的HO-1基因表達(dá)，提高NOX2基因表達(dá)，使它們的表達(dá)接近無DDP處理的原始水平。
圖4 (a)細(xì)胞凋亡流式檢測分析；(b) HK-2細(xì)胞中各種狀態(tài)的細(xì)胞進(jìn)行量化；(c)蛋白印跡分析PARP和caspase-3表達(dá)情況；(d, e) TUNEL水平的染色圖和圖表；(f, g) HK-2細(xì)胞中ROS的流式細(xì)胞分析圖和圖表；(h-k) SOD活性，MDA水平，HO-1和NOX2相關(guān)基因表達(dá)情況。
05
CNPs對AKI保護(hù)效應(yīng)的分子機(jī)制分析
Nrf2是ROS信號調(diào)控通路中的主要調(diào)控因子（ROS增多時(shí)，其表達(dá)減少），研究者利用western bolt檢測了CNPs處理前后Nrf2及相關(guān)蛋白DJ-1和Keap1的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)DJ-1和Nrf2表達(dá)上調(diào)，Keap1表達(dá)下調(diào)。Nrf2的敲除則會消除CNPs對于DDP產(chǎn)生的AKI的保護(hù)作用，也不能抑制凋亡相關(guān)的PARP和caspase-3表達(dá)水平，抗氧化類基因也對CNPs不再敏感。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明CNPs通過激活Nrf2降低ROS，并因此阻止細(xì)胞凋亡，實(shí)現(xiàn)對于腎細(xì)胞的保護(hù)。
圖5 (a, b-d) 經(jīng)不同處理后HK-2細(xì)胞中的Nrf2, Keap1和DJ-1蛋白質(zhì)印跡分析及量化；(e-h) 利用小干擾RNA負(fù)調(diào)Nrf2后通過western blot和qRT-PCR分析相關(guān)基因的表達(dá)情況；(i) CNPs通過激活Nrf2/Keap1，對抗DDP引起的氧化應(yīng)激的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖。
06
CNPs對于體內(nèi)總體化療效果的提高
相對于小分子藥物NAC（在腫瘤中也提高SOD活性，降低MDA水平）經(jīng)CNPs（在腫瘤中不改變SOD活性和不降低MDA水平）處理的荷瘤小鼠，治療期間小鼠體重變化波動較小，且死亡率降低，能夠更大程度上增強(qiáng)化療藥物對腫瘤治療作用同時(shí)降低化療毒副作用。
圖6 (a) ES-2皮下瘤小鼠治療方式與評估示意圖；(b-g)不同處理的腫瘤體積、抑制效率和實(shí)體腫瘤大小；(h, i)不同處理下小鼠的BUN和Cre的水平以及(j)不同處理下小鼠的存活率。
總結(jié)展望
綜上所述，AKI是一種與ROS相關(guān)的高死亡率的疾病，是化療產(chǎn)生的一種常見的毒副作用。小分子的抗氧化劑（NAC）在減弱AKI的同時(shí)，也會降低化療效果。基于pH依賴性活性可調(diào)的CNPs，在pH中性的正常細(xì)胞環(huán)境可以分解表面吸附的H2O2，重新暴露出CNP的活性催化位點(diǎn)以進(jìn)行下一輪的循環(huán)，從而降低了細(xì)胞中的ROS，減少了細(xì)胞的凋亡，降低了化療藥物的毒副作用；而在pH酸性的腫瘤細(xì)胞環(huán)境中，其表面吸附的H2O2反而會破壞活性催化位點(diǎn)的再暴露，阻止了其對ROS的清除，而不降低化療藥物的腫瘤殺傷能力。CNPs對于中性pH細(xì)胞的保護(hù)，是通過激活Nrf2/Keap1信號通路，進(jìn)而提高SOD活性，提高抗氧化類基因的表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞凋亡以及相關(guān)蛋白表達(dá)，從而達(dá)到降低ROS，減少細(xì)胞凋亡，減少腎損傷的作用。因此，CNPs有望擴(kuò)大化療的使用，讓更多癌癥病人從中獲益。
本信息源自互聯(lián)網(wǎng)僅供學(xué)術(shù)交流 如有侵權(quán)請聯(lián)系我們立即刪除
| 溫馨提示：蘇州北科納米供應(yīng)產(chǎn)品僅用于科研，不能用于人體,不同批次產(chǎn)品規(guī)格性能有差異。網(wǎng)站部分文獻(xiàn)案例圖片源自互聯(lián)網(wǎng)，圖片僅供參考，請以實(shí)物為主，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們立即刪除。 |
下一篇： 生物微球
