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四川大学华西医院肿瘤生物治疗研究室巩长旸团队:多功能“核-壳”结构纳米基因递送系统应用于恶性黑色素瘤治疗研究

四川大学华西医院肿瘤生物治疗研究室巩长旸团队于2016年12月在Biomaterials发表文章“Multifunctional “core-shell” nanoparticles-based gene delivery for treatment of aggressive melanoma”(影响因子10.273)(文章原文链接点击文后二维码,即可到达)。




近年来,恶性肿瘤的发病率呈不断升高的趋势,严重威胁着人类的生命健康。恶性肿瘤的治疗已经成为了世界性的公共卫生难题。随着生命科学的发展和疾病机理的深入研究,基因治疗已经成为一种极具应用前景的治疗手段。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞,以纠正或补偿细胞基因缺陷和异常,从而达到治疗因缺陷和异常基因所引起的疾病的目标。基因治疗的优势在于,治疗肿瘤针对性强,具有很高的靶向性,在杀伤肿瘤细胞时对正常组织损伤小,副作用少,是未来恶性肿瘤治疗中最具前景、最有效的治疗策略之一。基因递送系统是基因治疗的重要组成部分,基因载体负载基因形成的基因复合物需要克服诸多生物屏障才能实现体内的靶向高效传递。近年来,化学、生物学、医学等学科的交叉融合大大促进了非病毒基因载体材料的发展。构建新型高效安全的非病毒基因载体是目前基因治疗领域的研究热点


华西医院肿瘤生物治疗研究室巩长旸团队针对基因传递过程中的各个生物屏障,设计了一种多功能靶向非病毒基因载体(RRPHC),并将其用于黑色素瘤的靶向基因治疗。该团队首先合成了一系列能负载基因的材料PFs, 并通过预实验选取出了其中一种优良的材料PF33。该材料能在较低N/P比下有效负载基因形成纳米级二元基因复合物PF33/pDNA。该基因复合物能迅速逃逸内涵体-溶酶体系统,同时负载的基因能够迅速进入细胞核进行转录。体外实验中,PF33/pDNA基因复合物能有效转染B16F10等多种细胞株,其基因转染效率均超过90%,明显优于常用的商业化转染试剂,如PEI 25K,Lipofectamine 2000及Lipofectamine 3000。更重要的是,PF33/pDNA基因复合物转染效率并不受转染时培养基中的血清影响,即使在含30%血清的培养基中,该基因复合物依然能保持高效的转染效率。


另外,为了进一步提高PF33/pDNA二元基因复合物在体液中的稳定性并同时增加靶向性,合成了多功能材料RGD-R8-PEG2000-HA(RRPH),并将其用于包裹上述二元基因复合物以制备成表面带负电荷的三元基因复合物RRPH/PF33/pDNA(RRPHC/pDNA)。RRPHC/pDNA能够通过与肿瘤细胞表面的整合素αvβ3受体和CD44受体结合增加肿瘤细胞对基因复合物的摄取效率。同时,该三元体系很好地维持了PF33/pDNA二元基因复合物优良的内涵体-溶酶体逃逸能力以及高效的基因转染效率。


接下来,采用PF33、RRPH与mTRAIL一起构建了能够靶向黑色素瘤的RRPHC/mTRAIL三元基因复合物纳米粒。在体外细胞实验中,该纳米粒能够显著增加恶性黑色素瘤细胞株B16F10中TRAIL蛋白的表达,并引起显著的细胞凋亡(图1)。在恶性黑色素瘤皮下瘤模型中,静脉注射RRPHC/mTRAIL纳米粒能够显著增加恶性黑色素瘤组织中TRAIL蛋白的表达,降低肿瘤细胞增殖并增加其凋亡,进而显著抑制肿瘤的生长。


综上所述,该研究成功构建了具有多重靶向功能的新型非病毒基因载体RRPHC,体内外实验表明该载体具有广谱高效的基因转染效率以及优良的肿瘤靶向性。运用该载体负载治疗基因进行肿瘤治疗,能够显著抑制肿瘤的生长,而不引起机体的系统毒性。因此,非病毒基因载体RRPHC有望开发成为新一代的基因治疗传递系统。



图1 RRPHC多功能“核-壳”结构纳米基因递送系统携载mTRAIL基因在体内治疗恶性黑色素瘤示意图



专家点评


钱志勇教授:基因治疗的瓶颈之一是其递送系统,理想的基因递送系统应该具有高效转染、低毒性、较好的血清耐受性、易于制备等优点。华西医院肿瘤生物治疗研究室巩长旸研究员团队经过长时间的摸索,结合分子生物学、化学生物学、材料学等多学科,对基因递送系统进行巧妙的设计,氟化修饰的PEI内核具有优良的转染性能,多功能化修饰的外壳,增加了递送系统整体的稳定性和肿瘤靶向性。此外,该基因递送系统具有较高的血清耐受性,在30%血清条件下,保持了较高的转染效率,非常适用于静脉给药。这项研究给我们带来了关于基因递送系统的全新设计和构建策略,为恶性黑色素瘤的基因治疗载体提供了潜在的新选择。目前在临床上,考虑到递送系统在基因治疗中的重要意义,我们期待这项研究能够应用到更多肿瘤治疗中。



钱志勇,博士,四川大学二级教授,四川大学华西医院肿瘤生物研究室/生物治疗国家重点实验室教授、博士生导师,国家杰出青年基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才,中国医药生物技术协会纳米生物技术分会主任委员,担任Materials ExpressJ Biomed Nanotechnol等学术期刊主编,担任Chinese Chemical LettersJ Biological Engineering副主编。在纳米生物材料的构建及其在肿瘤治疗和组织修复中的应用进行了长期的研究,目前已经在Chem Soc RevAdv Function MaterAdv SciACS NanoNano LettBiomaterials等学术期刊以通讯作者身份发表SCI论文100余篇。


作者投稿心得


本文发表于生物材料领域著名期刊Biomaterials(生物材料领域排名第一),该期刊对论文的创新性和实验完整性(工作量)有较高的要求,同时对论文的语言和格式的要求也非常严格。由于论文工作量较大,同时杂志要求正文中最多只能有8张图片,所以建议将其他图片、表格等制作成详细的补充材料。同时,该杂志的审稿专家可能较多,修改意见有时多达几十条,修改文章时,需要逐条认真回答,并补充相关实验数据。


通信作者



巩长旸,四川大学华西医院肿瘤生物治疗研究室研究员,国家自然科学基金优秀青年基金获得者,入选中组部“万人计划”青年拔尖人才支持计划。主要研究领域为针对肿瘤治疗的新型自组装基因、疫苗和药物递送系统,在相关领域以通讯或第一作者发表SCI论文80余篇。



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本文编辑:张 敏

本文排版:陈红梅 张洪雪

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