中山大学帅心涛/黄金生/李博Nature子刊:创造性构建γ-谷氨酰转移酶催化的纳米探针对原位脑胶质瘤进行联合治疗

引言

脑胶质瘤是目前最致命的颅内恶性肿瘤，成人的中位生存期仅为12至18个月，超过5年生存率的不到5%。这主要是因为血脑屏障（BBB）阻碍了药物进入脑组织，并且脑胶质瘤的浸润式生长使传统化疗的疗效有限、极易复发。尽管带有强正电荷的纳米颗粒能够较好地穿透BBB，但它们通常伴随有对健康组织和器官的阳离子毒性，在血液循环过程中产生不良影响。鉴于此，中山大学帅心涛/黄金生/李博创造性地构建了一种中性电荷的纳米探针，其表面修饰了γ-谷氨酰基团，能够被过表达于脑毛细血管上的γ-谷氨酰转移酶切割，生成正电荷的伯胺基团，有助于纳米探针通过吸附介导的转胞吞作用有效穿越BBB，同时避免了阳离子毒性的问题。此外，当纳米探针到达酸性肿瘤微环境时，携带的声敏剂和免疫激动剂的纳米探针发生膨胀，在超声照射下加速药物释放，从而诱导联合免疫反应，最终产生强效的抗癌效果。相关研究以γ-Glutamyl transpeptidase-activable nanoprobe crosses the blood-brain barrier for immuno-sonodynamic therapy of glioma为题发表在Nature Communications上。论文的通讯作者是中山大学附属三院帅心涛教授、中山大学附属七院黄金生副教授和广州医科大学药学院李博教授，论文的第一作者是广州医科大学药学院李博教授和中山大学附属六院陈耿佳博士后。

背景介绍

脑胶质瘤恶性程度高，致死率强，患者的中位生存期仅为12至18个月。尽管近年来医学取得了显著进展，例如新兴的声动力治疗（SDT）或免疫治疗已在临床上为癌症患者带来新机会，这些新型前沿疗法在胶质瘤中的治疗效果依然有限。这一严峻的结果由多种因素造成，其中最主要的是血脑屏障（BBB）的存在阻碍了超过98%的治疗药物进入大脑。因此，提高药物穿透BBB的能力被认为是胶质瘤治疗中最重要的一步。以往的研究发现，药物可以通过囊泡运输进入大脑，即通过脑内皮细胞从腔面到外侧面的定向运动。这种运输方式被称为转胞吞作用，进一步可分为特异性（受体介导的转胞吞作用，RMT）和非特异性（吸附介导的转胞吞作用，AMT）过程。尽管基于RMT或AMT途径的多种策略已经被提出以增强药物穿越BBB，然而这些策略中很少有证明是安全性且高效的。例如，近年来常用的RMT药物递送策略是通过在药物载体上附着靶向配体来识别脑毛细血管内皮细胞（BCECs）上的特定受体。然而，由于目前可用的纳米药物尺寸较大，药物通过RMT进入大脑的效率不到1%。相比之下，AMT为药物穿越BBB提供了另一种途径。在体内生理环境中，脑毛细血管内皮细胞表面表达的唾液酸糖缀合物和肝素硫酸蛋白多糖组成的糖萼层赋予了BBB整体负电荷。因此，阳离子化的纳米药物可以通过其正电荷部分与BBB表面负电荷区域的静电相互作用，触发吸附介导的内吞作用，即AMT药物递送。先前的研究表明，将聚-L-赖氨酸、聚胺或其他阳离子物质与纳米药物偶联，可以显著提高其穿越BBB的能力。然而，值得注意的是，阳离子物质对所有活细胞膜（均带负电）具有较高的亲和力。因此，设计用于靶向特定部位的阳离子化纳米药物在静脉注射后可能导致其在全身的不均匀分布，从而引发不可预测的毒性反应，包括内皮损伤、膜性肾病、免疫复合物介导的肾小管炎、组织水肿或炎症等不良反应。此外，开发针对胶质瘤的治疗时，如何提高抗肿瘤效果也是一个关键挑战。传统化疗对耐药性胶质瘤细胞的抗肿瘤效果较差。例如，虽然替莫唑胺能够穿越BBB，因此在临床上常用于治疗胶质瘤，但由于O6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶的表达，约40%的患者对该治疗的反应不佳，而对于高等级胶质瘤患者，响应率甚至降至20%。值得注意的是，崛起的免疫治疗通过激活宿主免疫系统摧毁癌细胞，为多种恶性肿瘤的治疗带来了新的机会。然而，长期以来一直认为免疫系统与大脑实质间几乎没有相互作用，因为BBB限制了抗原的逃逸和淋巴细胞的进入。然而，近期的研究挑战了这一长期存在的观念，研究发现激活的T细胞能够穿越BBB，并且淋巴细胞也能通过表达特定的粘附分子进入大脑。尽管取得了这些进展，但免疫系统是否能够被激活以抵抗原发性胶质瘤仍不明确。

在本研究中，研究者开发了一种可通过γ-谷氨酰转肽酶（GGT）激活的纳米探针，该探针在血液循环中保持中性表面电荷（±10mV），旨在通过AMT药物递送途径有效穿越BBB，同时避免阳离子纳米药物的毒性副作用。研究者将载脂蛋白E（ApoE）肽——载脂蛋白E受体结合域的串联二聚体序列，能够特异性结合高表达于BBB上的低密度脂蛋白受体（LDLR）——引入纳米探针表面，以赋予其结合脑毛细血管内皮细胞的功能。此外，γ-谷氨酰基团可被过表达于BCECs上的GGT切割，从而生成正电荷的伯胺基团，这些基团被引入纳米探针的表面层。通过这种方式，纳米探针能够通过AMT途径持续穿越BBB，同时表面正电荷的增加也有助于促进这种过程。另一方面，当负载声敏剂ILD和免疫激动剂R848的纳米探针靶向肿瘤部位时，肿瘤的酸性微环境可能会触发“由小到大”的过渡，从而在低频超声照射下加速药物释放，增强空化效应。同时，声照射后的ILD可能对胶质瘤细胞产生声动力效应（SDT），诱导免疫原性细胞死亡（ICD），并通过R848的协同作用激活免疫反应，从而实现胶质瘤的联合治疗。

相关成果发表于Nature Communications上

γ-谷氨酰胺转移酶（GGT）酶可激活的纳米探针有效跨越血脑屏障（BBB）用于增强脑胶质瘤免疫治疗的示意图。

具体过程如下：（I）纳米探针通过ApoE多肽锚定在脑毛细血管内皮细胞（BCECs）上；（II）BCECs外膜上表达的GGT酶切割纳米探针表面的γ-谷氨酰基团，生成正电荷的伯胺，促进纳米探针通过吸附介导的跨内皮转运（AMT）机制穿越血脑屏障；（III）在靶向肿瘤部位后，纳米探针响应肿瘤组织的酸性微环境发生“由小到大”的膨胀，增强低频超声（LFUS）引发的空化效应及包封药物的释放，引发的SDT治疗在免疫佐剂的调控下强化免疫作用。

结论

血脑屏障就像一道铜墙铁壁，保护着中枢神经系统，但也妨碍了脑部疾病如胶质瘤的治疗。中山大学帅心涛教授团队此前构建了一种水溶性分子探针，由于其小分子尺寸及αvβ3整合素受体介导的跨细胞运输，能够有效穿越血脑屏障。然而，这一策略对于没有耦合基团的药物或那些具有固有粒子尺寸的药物（如Abraxane）并不适用。另一方面，阳离子化纳米颗粒能够通过与血脑屏障上负电荷的相互作用，激活AMT通路，从而促进药物通过血脑屏障。然而，这种与阴电荷细胞膜的非选择性相互作用，导致阳离子化纳米颗粒在全身分布不可预测，最终缩短了它们的半衰期并导致严重的毒性反应。除此之外，传统的化疗对耐药性胶质瘤细胞的抗肿瘤效果较差，因此胶质瘤通常具有低治愈率、高死亡率和高复发率。

为了解决这一挑战，帅心涛教授团队再次提出构建一种可锚定于血脑屏障的纳米探针，并在其表面修饰了精心设计的γ-谷氨酰基团，该基团可以被BCEC上过表达的GGT酶激活，从而激活AMT通路。研究者证明，这种纳米探针能够高效锚定并穿越小鼠的血脑屏障，发挥声动力学效应，随后诱发免疫反应，显著增加了肿瘤组织中激活的树突状细胞（DCs）比例，这些树突状细胞分泌了多种促炎细胞因子，包括IL-12和IFN-β，进一步招募了更多肿瘤浸润的CD8+ T细胞，精准地杀伤胶质瘤细胞。此外，该团队验证了该探针对多种动物模型（裸鼠、昆明小鼠及SD大鼠）上的有效性，这一研究在脑部疾病治疗中展现了巨大的潜力。

作者简介

帅心涛：中山大学附属第三医院纳米医学中心主任，中山大学材料科学与工程学院双聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家二级教授。近年来主持国家自然科学基金委重点项目、科技部863计划项目及973计划课题、广州市重点领域研发计划项目等重要课题。帅心涛教授课题组在纳米材料的制备与表征、药物高效负载与控制释放、药物靶向输送、医学影像示踪等核心领域取得了突出的研究成果，所研发的材料和技术在肿瘤、心脑血管疾病、风湿性关节炎等重大疾病的诊断与治疗中显示出突出的临床应用潜力。在Science Advances、Nature Communications、Nature Cell Biology、Hepatology、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie International Edition、ACS Central Science、ACS Nano、Advanced Science、Biomaterials、Journal of Controlled Release、Nano Letters等高水平期刊发表高水平研究论文200余篇，获授权国家发明专利20余件。

黄金生：中山大学附属第七医院副研究员。聚焦于核酸药物和抗体等大分子药物的精准递送、创新制剂和生物活性高分子的相关研究。多年来累计主持国家自然科学基金面上项目和青年基金项目，广东省优秀青年基金等项目。以第一作者/通讯作者在Nature Communications、ACS Nano、Biomaterials、Nano Today、Advanced Science、Journal of Controlled Release和Acta Biomaterialia等杂志发表论文10余篇，获授权国家专利多项。

李博：广州医科大学药学院教授，博士生导师，南山学者。长期致力于高分子医用材料和纳米药物的开发和应用，研究成果以第一/通讯作者发表于Nature Communications、Advanced Functional Materials、ACS Central Science、Advanced Science、Nano Today、Acta Biomaterialia、Small、Nano Letters、Journal of Controlled Release等高水平期刊10余篇，获授权国家专利5项。先后主持国家自然科学基金青年基金项目、广东省自然科学基金面上项目、广东省区域联合基金青年基金项目、中国博士后科学基金面上项目以及广州医科大学“高水平大学建设项目”引进高层次人才科研启动项目等。

本研究得到国家自然科学基金（82302359；51933011；52373164），广东省自然科学基金（2023A1515011822；2021A1515111006；2024A1515030079）, 广州市重点领域研究发展计划（202007020006），中国博士后科学基金（2021M703763；2024M753755）深圳市自然科学基金（JCYJ20220530144816037）的资助。

论文信息：

Bo Li^#, *, Gengjia Chen^#, Huihai Zhong, Tan Li, Minzhao Lin, Huiye Wei, Qiaoyun Zhang, Qi Chen, Jinsheng Huang*, and Xintao Shuai*. γ-Glutamyl transpeptidase-activable nanoprobe crosses the blood-brain barrier for immuno-sonodynamic therapy of glioma. Nature Communications, 2024, 15, 10418.

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54382-z