-
线粒体靶向纳米材料与肿瘤治疗优势
1
线粒体靶向纳米材料
线粒体靶向策略的最初应用是对生物活性分子修饰线粒体靶向基团，
使
这些活性分子能
够直接靶向至线粒体，
发挥更好的疗效。
例如，
将辅酶
Q10
或维生素
E
的衍生物与
TPP
结合，
已被证明能够选择性的靶向至线粒体并提高抗氧化效率。
当亲脂性的
TPP
与
D
OX
共轭结合时，
原本只能在耐药的人乳腺癌高转移细胞
(MDA-MB-435/DOX)
的胞浆中积累的
< br>DOX
，
优先选择在
线粒体中积
累；与
DOX
原药相比，
TPP-DO
X
能够增加
caspase-3
和
PARP
的剪切，诱导更明
显的细胞凋亡，
具有逆转
MDR
的应用潜力。
在前文中已经提及，将纳米材料与抗肿瘤药物结合形成
纳米医药或用纳米载体负载药
物，
能够在保持药物原本完整的疗
效的同时，
改善多种药物的药代动力学和生物分布。
但在
十年之前，
关于线粒体靶向的纳米载药体系的报道并不多见，
大部分纳米靶向系统只靶向至
细胞层面，
纳米载
体进入细胞后靠随机分布与包括线粒体在内的亚细胞器作用。
后期研究发
现，
纳米递送载体通过修饰特定靶向到亚细胞器，
可以
增加药物与亚细胞器上特定位点作用
的几率，
从而提高治疗效率
。
因此，
定点给药的药物递送系统为目前暂时失败的治疗方法提
供了新的可能性。为了将药物运输到线粒体基质并有效的控制释放药物到不同的线粒体组
分，对纳米递送系统的设计和制备有着精确的要求：精确的尺寸、
亲脂性的表面、
合适的电
性和表面特定的靶向基团。此外，为
保证线粒体靶向的纳米递送系统在生物体内的安全性，
对这些纳米材料的生物相容性与生
物降解性也有一定的要求。
我们对近年来报道的几类线粒
体靶向
的纳米平台做一个简单总结：
1.1
脂质体基线粒体靶向纳米材料
靶向线粒体的脂质体基材料，可以通过膜融合将其所载的药物或活性分子带入线粒体
内。
DQAsome
是一类研究要多的脂质
体基线粒体靶向纳米材料，此外还发展了一系列利用亲
脂性阳离子
TPP
实现靶向功能的脂质体基纳米材料。
2008
年，
Weissig
课题组在
< br>Nano
Letter
上发表了他们制备的以脂质体为
核心
TPP
修饰的线粒体靶向载体：
他
们将
TPP
结合到十八烷
醇上制备出<
/p>
STPP
，再和罗丹明
B
标记的磷脂酰乙醇胺制备脂质体用于靶向线粒体增加神经
酰胺的抗癌疗效。为了
克服上述
STPP
基脂质体的非特异性细胞毒性，
2012
年，
Torchilin
< br>等通过聚乙二醇
-
聚磷脂酰乙醇胺
(PEG-PE)
和端基为
TPP
的
PEG
共轭得到
TPP-PEG-PE
，
将此
共轭结构混入脂质体的磷脂双分
子层合成得到一种新型的线粒体靶向的脂质体基纳米材料，
这种材料能够显著提高其运载
的抗癌药物紫杉醇
(PTX)
的效率、细胞毒性和在小鼠体内的
抗
癌效率。
线粒体穿膜肽
D
[KLAKLAK]
2
(KLA)
修饰是另一种实现脂质体基材料线粒体靶向的方式。
Gu
课题组制各了一种
KLA
修饰、<
/p>
pH
敏感的新型脂质体材料，能够提高负载的
PTX
在线粒体中
的积累量，可以用于逆转人肺腺癌细胞<
/p>
(A549)
的
MDR
< br>。
1.2
树状大分子基线粒体靶向纳米材料
树状大分子是一种从核心分子向周围辐射，形成高度支化的重复分支的功能高分子材
料，
其表面具有数量可控的、
能够用于实现
多功能化的基团。
树状大分子的中心内核和支化
空间可以包覆生
物分子，
表面基团的不同功能化使其能够递送多种药剂或显影分了。
移位蛋
白
(TSPO)
的一种分子
量为
18kDa
的多聚体，在肿瘤的固醇类细胞的线粒体外膜高
表达。
Bornhop
课题组用树状大分子
G(4)-PAMAM
骨架、
1-(2-
< br>氯苯基
)
异喹啉
-3-
羧酸
(C1PhIQ
Acid)
和丽丝胺罗丹明
(Lissamine)
制备了靶向
线粒体外膜
TSPO
的
CIPhIQ-
PAMAM-Liss
，在
C6
大
鼠胶质瘤和人乳腺癌细胞中有良好的线粒体显影效果。
2012
年，
Torchilinh
课题组利用
(3-
羧丙基
)
三
苯基溴化膦的羧基和乙酰化的树状大分子的伯胺发生酸胺缩合反应制备了
PAMAM
基的
G(5)-D-Ac-TPP
，用荧光
染料标记该纳米载体，细胞实验结果显示这种材料和线粒体共
定位的效果较好，
并且毒性也较低。
在此工作的基础上，
Chen
g
等成功的用
TPP
修饰的
PAMAM
树状大分子实现了在人宫颈癌细胞和非洲绿猴肾纤维母细胞中的
基因递送，
转染效率可与商
用的
Lip
ofectamine 2000
相比拟，比
SuperFec
t
更高。
1.3
聚合物基线粒体靶向纳米材料
由生物相容性和生物可降解的聚合物制备的聚合物纳米颗粒是另一种药物递送系统中
最常用的材料。在
2008
年，
Kopecek
课题组构建利用
TPP
作为线粒体靶向剂、基于新型的
羟丙甲丙烯酸甲酯
(HPMA)
共聚物的药物递送系统：他们设计了一种与赖氨酸共轭结合的
HPMA
共聚物，使赖氨酸一端的氨基连接
TPP<
/p>
用于靶向至线粒体，另一端氨基连接药物；所
连接的荧光团
BODIPY
和光敏药物
Mce6
都通过激光共聚焦显微镜
(CLSM)
证明该共聚
物能够靶
向至线粒体。
美国乔治亚大学的
Dhara
教授课题组合成了一系列线粒体靶向的聚合物纳米颗
粒。如图
1
．
13
< br>所示，其中最典型的是用
TPP
修饰
FDA
批准的可生物降解聚乳酸
-
羟基乙酸
共聚物
(PLGA)
，制备得
到靶向线粒体的聚合纳米粒子，用这种纳米粒子封装氯尼达明
(LND
< br>，
抑制线粒体的糖醇解
)
、α<
/p>
-
生育酚琥珀酸盐
(
α
-TOS
，选择性肿瘤药物
)<
/p>
、姜黄素
(
淀粉
-p
蛋
白
(A
β
)
的抑制剂，阿兹海默症药物
)
和
2
，
4-
二硝基苯酚
(2
，
4
-DNP,
减肥药物
)
，测试药物
纳米粒子对各类线粒体相关疾病的治疗效果。
与
LND
原药对照组相比，
线粒体靶向纳米粒子
运载的
LND
对肿瘤细胞的半数致死率是原药的
108
倍。之后，他们利用这个载体负载
T
PP
修饰的顺铂前药
(Platin-M)
，
将其递送到神经母瘤细胞的线粒体中，
用于针对性的耐药
脑部
肿瘤的治疗；
并以狗为动物模型，
建立了这种线粒体靶向的顺铂纳米递送系统的生物分布评
价模型。此外，
TPP
修饰其他聚合物，例如聚乙二醇
-
聚己内酯纳米颗粒和多聚赖氨酸纳米
颗粒等，用于线粒体靶向、递送生物活性
分子或抗癌药物至线粒体的研究也陆续见诸报道。
图
1
．
13
TPP
修饰的载药聚合纳米颗粒靶向线粒体的示意图。
1.4
无机纳米碳纳米金
用于线粒体靶向的纳米药物载体的研究主要集中于以脂质体或高分子聚合物作为载体材
料，这两种材料虽然具有许多优点，
但是它们皆有稳定性差、
药物容易泄露的缺点。当以上两
种材料置于复杂的生物体内液态环境时，
由于高分子链的溶胀效应及脂质体自身动态不断自组
装的本质特征，
它们的形状、大小和表面化学性质易变且很不确定。相对而言，无机纳米材料
具有稳定的形态和结构，将其用于构建线粒体靶向的纳米材料的报道也越来越多。
< br>
最早发现有线粒体靶向功能的无机纳米材料是
金纳米棒。
2011
年，
Chen
课题组发现金纳
米棒可以选择性的杀死肿瘤细胞，
< br>而对正常细胞和间充质干细胞没有影响，
不同的细胞摄取方
式、
胞内逃逸和溶酶体敏感性导致了这样的差异性：
金棒表面
的十六烷基三甲基溴化铵
(CTAB)
可以破坏溶酶体造成溶酶
体逃逸，逃逸后金棒表面残留的
CTAB
可以使其在多种肿瘤细
胞模型
中选择性的在线粒体积累，与线粒体的长期作用导致线粒体膜电位下降，产生大量
ROS
，从而
杀死肿瘤细剧。
与此同时，
研究发现单壁碳纳米管
(SWCNT
s)
利用其表面的正电性也可以穿过细
胞膜，
< br>在肿瘤的细胞的线粒体中积累，
并且结合近红外光对
SW
NTs
照射，
可以实现针对肿瘤的
线粒
体靶向的光热治疗。
此后，
通过对无机纳米材料修饰线粒体靶向基团实现靶向功能的研究才陆续报道出来。
Prat
o
等
对
多
壁<
/p>
碳
纳
米
管
(MWCNTs)
表
面
修
饰
线
粒
体
靶
向
肽
序
列
(KMSVLTPLLLRGLTGSARRLPVPRAKC)
，实现了其在药物递送中的线粒体靶向，
CLSM
观察到靶向的
MWCNTs
在巨噬细胞和人宫颈癌细
胞的线粒体中大量积累，细胞电镜进一步确认了这个结果。
2014
年，
Ma
等报道了另一种碳基材料的线粒体靶向，
通过对
CQDs
修饰
T
PP
实现了对活细胞线
粒体的单光子和双光子显影。之后，
Lin
课题组在实现
TPP
修饰的
CQDs
用于线粒体显影的同
< br>时，还开发了其检测亚硝酸离子的分析功能。
近年来的研究中人们也发现，某些无机纳米粒子也具有线粒体靶向的能力，比如
Ti0
2
纳
米颗粒和金
纳米颗粒。王等人研究了并报道了表面包覆牛血清蛋白的金纳米颗粒在癌细胞
A549<
/p>
中的作用机制。他们指出当金纳米颗粒浓度在
25-100
μ
M
时能杀死
A54
9
细胞，同时对正
常细胞的毒性较小。
为了探寻这种毒性的差异产生的原因，
他们对金纳米颗粒进入细胞的过程
进行了分析并对其进入细胞后的定位进行了监测。
结果表明，
< br>金纳米颗粒是通过内吞途径进入
到细胞内，
其大部分在溶
酶体中，在正常细胞中，
溶酶体中的纳米颗粒很容易会被清除掉。
而
在癌细胞同不同，包覆了
CTAB
的金纳米颗粒很容易从溶酶体中逃逸然后进入线粒体，这使得
它很难被癌细胞清除，从而
造成癌细胞死亡
(Figure
1-18)
。
Figure. 1-18 Different fates and
effects of AuNRs in cancer cell, normal cell, and
stem cell due to distinct pathways for
cellular trafficking.
2
线粒体靶向肿瘤治疗优势
2.1
克服多药耐药
肿瘤多药耐药是导致化疗失败的主要原因之一，外排蛋白
P-
< br>糖蛋白
(P-gP
)
的高表达
，是
肿瘤耐药细胞的重要特征，耐药细胞的
P-gp
可将化疗药物如阿霉素等外排，导致化疗失败。
通过靶向肿瘤细胞线粒体，
将抗肿瘤药物直接递送至线粒体靶点，
可躲避胞浆及核的耐药机
制，
如避免
P-gp
糖蛋白的外排，克
服多药耐药，提高化疗效果。
Zhang
等通过构建线粒体靶向药物递释系统递送
DOX
至肿瘤细胞
线粒体，
加剧了肿瘤耐药
细胞的死亡。如图
4.1
所示，以
TPP
修饰生育酚
聚乙二醇琥珀酸酯
(TPGS)
与碳量子点
(CQDs)
自聚集形成胶束，包裹
DOX
，构建线粒体靶向药物递释系统
CQDs-TPGS-TPP/DOX
。该制剂一方
面通过
TPGS
< br>抑制
P-gp
糖蛋白的过表达，另一方面通过将
DOX
直接递送至线粒体靶点，避免
P-gp<
/p>
糖蛋白的外排，大幅度杀伤肿瘤耐药细胞，克服了多药耐药。
图
4.1
线粒体靶句药物递释系统克服肿瘤多药耐药示意图
< br>
2.2
抑制肿瘤转移
肿瘤转移是导致肿瘤患者死亡的主要原因。
手术及化疗等传统治疗方法，
可消除患者大部
分肿
瘤组织，
却无法抑制肿瘤的复发与转移。
磷酸肌醇
-3-
激酶
(
Phosphoinositide-3
kinases,
PI3K)
是一种蛋白激酶，在很多癌症患者中均存在
PI3K
异常，以
PI3K
为治疗靶点开发的多种
PI3K
抑制剂，已处于不同的临床
验证阶段，但其效果并不理想。近来，
Caino
等发现单独使
用
PI3K
抑制剂进行癌症治疗，可能会促进肿瘤细胞的侵袭性
而转移至其他器官，导致患者病情
恶化，
这一过程主要依赖于线
粒体功能应答。
如图
4.2
所示，未经
抑制剂药物处理的细胞，其
线粒体主要围绕细胞核分布，而用
P
I3K
抑制剂
(GDC-0941)
处
理肿瘤细胞，会引起线粒体向细
胞膜特定区域移动，
线粒体占据
细胞周围骨架这一重要位置能够为细胞迁移和侵袭提供大量能
量，这表明细胞运动和侵袭
能力增强。
PI3K
抑制剂药物，依赖于线粒体参与细胞膜骨架
的重
新分配，
提供细胞运动性、
迁移性
所需的能量与动力，
促进肿瘤转移和侵袭。
因此，
开发
PI3K
抑制剂药物时，
可联合线粒体靶向药物递释系统干预肿瘤转移时的能量代谢过程，
进而抑制肿
瘤转移。
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