载有 miR495 和多柔比星的癌细胞膜装饰二氧化硅纳米粒子克服耐药性,有效治疗肺癌
摘要
当前的癌症治疗通常会屈服于许多细胞外和细胞内的障碍,其中非靶向分布和多药耐药 (MDR) 是导致许多药物递送系统 (DDS) 效果不佳的两个重要困难。在这里,在我们的研究中,通过开发癌细胞膜 (CCM) 涂层二氧化硅 (SLI) 纳米颗粒来解决这一难题,以共同递送 miR495 与阿霉素 (DOX) 以有效治疗肺癌 (CCM/SLI/R-D)。来自 MDR 肺癌细胞 (A549/DOX) 的同源 CCM 应该增加 DDS 的肿瘤归巢特性以绕过细胞外屏障。此外,通过使用 miR495 下调 P-糖蛋白 (P-gp) 表达来克服癌细胞的 MDR。证明miR495可以显着降低P-gp的表达,从而增加A549/DOX细胞内药物积累。体外和体内结果表明,CCM/SLI/R-D对A549/DOX的治疗效果大大增强,优于单独应用miR495或DOX。 CCM/SLI/R-D在战胜肺癌MDR方面的优选作用为MDR癌症的有效化疗提供了一种新的选择。
介绍
最近的研究为多药耐药 (MDR) 与化疗失败之间的正相关性提供了越来越多的证据 [1, 2]。 MDR 最广为人知的机制之一是 ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白,其中 P-糖蛋白 (P-gp) 是研究最多的一种 [1, 3]。发现 P-gp 可以有效地将细胞内化疗药物泵出细胞,导致细胞内药物积累减少,从而导致疗效降低 [4, 5]。 P-gp的抑制对克服MDR显示出有益的作用,这可能是对抗MDR的潜在靶点。
MicroRNA (miRNA) 是一种天然存在的非编码 RNA。然而,miRNA在细胞转染和蛋白质表达的调节中显示出重要作用[6]。因此,据报道,P-gp 的表达受各种 miRNA 的影响,这取决于肿瘤类型 [7]。先前的研究表明,miR495 可以有效下调 MDR 卵巢癌细胞和胃癌细胞中 P-gp 的表达 [8]。本研究利用miR495进一步探讨其在MDR肺癌细胞P-gp调控中的作用。
由于具有无可比拟的优势,例如大大减少副作用和增加生物利用度,药物递送系统 (DDS) 在过去几十年中不断发展,并被认为是药物递送中游离药物的替代品,尤其是在癌症治疗中 [9,10 ,11,12]。因此,开发能够克服癌症治疗复杂的细胞外和细胞内障碍,同时适合多种药物负载的多功能DDS正成为研究热点[13,14,15,16]。二氧化硅(SLI)纳米粒子作为应用最广泛的候选物之一,具有制备容易、载药量高、生物相容性好等多种优点,是优选的纳米载体。自然,SLI 已被许多 DDS 用作纳米载体,以达到令人满意的功效 [17, 18]。
然而,临床前研究表明,DDS 的靶向递送对于成功的癌症治疗也至关重要。为了达到更好的靶向效果,最常用的方法是修饰DDS表面的靶向配体,使其能够与癌细胞表面的相应受体结合[16,19,20]。从小分子(分子量低于 1000 Da)到单克隆抗体(分子量超过 10 kDa),据报道这些靶向配体已成功应用于 DDS [21,22,23]。然而,由于某些配体的外源性或其他原因,发生了免疫反应和细胞毒性等不良反应。近年来,细胞质膜正在成为另一种有前途的材料,不仅可以修饰纳米粒子的表面,还可以作为生物相容性靶向成分。基于同源癌细胞膜(CCM)与癌细胞之间的相互作用,CCM已被证明可以大大提高DDS的肿瘤归巢能力[24, 25]。
为了在一个 DDS 中结合 CCM 和 P-gp 靶向 miR495 的肿瘤归巢特性,用于肺癌的鸡尾酒疗法(在我们的研究中被选为模型癌症),首先制造了带正电荷的胺 SLI 并预加载了多柔比星(DOX )。随后加载 DOX 的胺 SLI 加载 miR495 以形成共递送核心 (SLI/R-D)。最后,SLI/R-D 用带负电荷的 CCM(从 A549/DOX 细胞获得)装饰,以制备共同递送和肿瘤靶向 DDS(CCM/SLI/R-D)。预计CCM可以特异性地将CCM/SLI/R-D引导至同质的A549/DOX细胞以增强其肿瘤靶向作用并增加细胞内摄取。同时,释放的miR495可以克服A549/DOX的MDR,与DOX实现协同抗癌作用。
材料和方法
材料
甲基噻唑基四唑 (MTT),N -(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (AEAPS)、原硅酸四乙酯 (TEOS)、多柔比星 (DOX) 和 Triton X-100 购自 Sigma-Aldrich(美国密苏里州圣路易斯)。 miR495 由 Cell Biolabs Inc. (San Diego, CA, USA) 提供。其他化学品和试剂购自阿拉丁有限公司(中国上海),分析纯。
细胞培养和动物模型
A549(人肺癌)、A549/DOX(DOX 抗性细胞系)和 NIH3T3(小鼠胚胎成纤维细胞)细胞系在补充有 10% (v/v) 胎牛血清 (FBS)、青霉素 (100 U/mL) 和链霉素 (100 U/mL) 在 37 °C 的恒温培养箱中含有 5% CO2。 A549/DOX(DOX 抗性细胞系)是通过培养 A549 细胞与逐渐增加的 DOX 浓度建立的 [26]。所有细胞系均按照先前报道的标准方案进行培养 [27]。雄性 Balb/c 裸鼠(~ 20 g)来自武汉大学(中国武汉)模型动物研究所,并按照标准方案饲养。 A549/DOX 肿瘤异种移植模型是在前一篇文章的基础上建立的[28]。所有动物相关实验均经中山大学附属第三医院伦理委员会批准。
多细胞肿瘤球体模型
多细胞肿瘤球体 (MCTS) 是根据之前的报告建立的 [29]。简而言之,用高压灭菌的琼脂糖溶液覆盖 96 孔板(康宁,美国)以形成凝胶垫。然后,将混合的 A549/DOX 和 NIH3T3 细胞 (1:1) 接种到板中并孵育以形成 MCTS。用光学显微镜(CX 23,Olympus,Japan)监测MCTS的形成。
准备CCM/SLI/R-D
基于之前的报道[30],胺SLI 的制备是在油包水微乳液中进行的。简而言之,在室温下制备了一种含有DOX 的油包水微乳液。然后依次加入AEAPS、TEOS和NH4OH引发反应。反应24 h后,用过量乙醇沉淀载有DOX的胺SLI,离心收集(3000 rpm,10 min)。
将miR495溶解在HEPES缓冲液中,以不同的重量/重量(w/w)比旋涡滴加到负载DOX的胺SLI水溶液中,得到SLI/R-D二元复合物[31]。
从 A549/DOX 细胞中分离 CCM 是根据先前的报告进行的 [32]。总之,使用离心收集和浓缩 A549/DOX 细胞。然后,将细胞分散在提取缓冲液中并进一步离心(10,000g , 10 min),然后进行第二次超速离心 (100,000g , 60 min) 最终得到 CCM。所有程序均在 4 °C 下进行。使用BCA试剂盒(Beyotime,上海,中国)定量CCM的蛋白质浓度。
CCM 在 SLI/R-D 上的涂层使用与 miR495 结合类似的方案。总之,在涡旋下将不同体积的 CCM 溶液加入 SLI/R-D (1 mg/mL)。最后,混合物用探针型超声处理(100 W,5 分钟),然后离心(10,000g , 10 min) 得到 CCM/SLI/R-D。
特征化
CCM/SLI/R-D 的尺寸分布和 zeta 电位由 Zetasizer(ZS90,Malvern,UK)评估。此外,采用透射电子显微镜(TEM,JEM1230,JEOL,Japan)观察纳米载体的形貌。
SLI 与 miR495 的结合能力通过凝胶阻滞试验以裸 miR495 作为对照进行研究。以各种 w/w 比例(0.2-25,SLI 到 miR495)配制的 SLI/RD 加载到含有 Goldview(北京阳光生物科技有限公司)的 2% 琼脂糖凝胶上,并在 0.5×Tris-Borate 中电泳-EDTA 缓冲液(90 V,60 分钟)。 miR495的可视化使用Gel-Pro分析仪(Genegenius,Syngene,UK)进行。
裂解缓冲液(Beyotime,上海)用于从 CCM 中提取总蛋白,然后使用 BCA 试剂盒进行浓度定量。然后,将样品转移到聚(偏二氟乙烯)(PVDF)膜上。最后,膜用相应的第一抗体(Abcam,美国)和第二抗体(Abcam,美国)染色。密度计(E-Gel Imager,Thermo-Fisher,USA)用于可视化。
CCM/SLI/R-D 的载药量 (DLC) 通过将制备的纳米载体在甲醇中出现 48 h 来确定。将样品离心(10,000 rpm,30 min),收集上清液用于高效液相色谱(HPLC)测定DOX[33]。 miR495 载量通过 260 nm 处的紫外吸光度测定(UV5Nano,METTLER TOLEDO,Switzerland)。
在48 h内的每个时间点记录PBS和小鼠血浆中CCM/SLI/R-D的粒径变化。 CCM/SLI/R-D 中 DOX 的释放曲线根据之前的报道进行了研究[34]。
细胞内转染
A549/DOX 细胞在 6 孔板中接种 24 h,然后与 CCM/SLI/miR495(miR495 浓度,1-25 ng/mL)一起培养 48 h。之后,将细胞分离、收获并进行P-gp表达的蛋白质印迹分析。
根据先前的报告[23]确定细胞内药物浓度。简而言之,在用 CCM/SLI/miR495 处理不同的时间间隔后,A549/DOX 细胞与 DOX 一起孵育。在预定的时间间隔(4和8 h),将细胞分离,收集并分散在5 mL的DOX提取液(乙醇0.6 M HCl,1:1,v/v)中,然后在冰浴中以400 W超声处理40 次。将混合物在 4 °C 下放置 24 小时,然后以 12,000 rpm(4 °C)离心 10 分钟。收集上清液并进行如上所述的 DOX 含量测量。
细胞活力
无药物纳米载体(10-200 μg/mL)和CCM/SLI/RD(DOX浓度,2-50 μM;miR495浓度,10-250 nM;DOX和miR495的摩尔比固定在通过 3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑鎓溴化物 (MTT) 测定法测定 A549/DOX 细胞 200) 48 小时。免疫印迹法检测细胞凋亡相关蛋白的水平变化。
将直径为 300-400 μm 的 MCTS 与含有不同制剂(DOX 浓度,25 μM)的培养基在 37 °C 下培养 5 天。用光学显微镜记录MCTS的直径变化。
CCM/SLI/R-D 的体外和体内靶向
采用 FAM 标记的 siRNA 构建 DDS。 A549/DOX 细胞接种在 6 孔板中 24 h。然后,将细胞与过量的CCM孵育2 小时,并加入SLC/siRNA和CCM/SLC/siRNA。在设定的时间间隔收集细胞并通过流式细胞仪(FCM,FC500MCL,Beckman Coulter)进行定量。
采用Cy5标记的miR495构建DDS。携带 A549/DOX 肿瘤的小鼠被静脉注射。注射 SLI/miR495 和 CCM/SLI/miR495,并使用实时成像系统(ZEWTON 7.0,Vilber,法国)在预定时间间隔监测 miR495 的分布。给药12 h后,取处死小鼠的肿瘤和主要器官,并使用相同的系统成像进行分析分析。
体内抗癌试验
使用 A549/DOX 荷瘤小鼠评估 CCM/SLI/R-D 的体内抗癌试验。具体来说,将小鼠随机分为 5 组(n =6):(1)盐水(作为对照),(2)游离 DOX,(3)CCM/SLI/DOX,(4)CCM/SLI/miR495,和(5)CCM/SLI/R-D。之后,小鼠在14 天内以5 mg/kg DOX和0.25 mg/kg miR495的剂量瘤内给药该制剂7次。每2 天测定一次各组小鼠的肿瘤体积和体重。
结果与讨论
准备CCM/SLI/R-D
为了在一种 DDS 中实现良好的载药能力和生物相容性,TEOS 和 AEAPS 在油包水微乳液中的同步水解用于制备 SLI。在制造过程中,DOX 被预先嵌入到 SLI 的基质中。如图 1a 所示,动态光散射 (DLS) 结果表明负载 DOX 的胺 SLI 的直径为 ~ 100 nm。 TEM图像进一步显示纳米颗粒呈球形,分布较窄,与DLS得到的结果一致。
<图片>结论
In summary, we successfully constructed a CCM-coated SLI nanoparticle as a DDS to co-delivery miR495 and DOX (CCM/SLI/R-D). The characterization demonstrated that CCM/SLI/R-D showed well distribution with a diameter of 120 nm, which showed high stability as well as pH-responsive drug release. Cellular experiments revealed that CCM/SLI/R-D could realize preferable miR495 delivery which achieved the significant downregulation of P-gp, which finally overcome the MDR in A549/DOX by increasing the intracellular DOX accumulation compared to untreated cells. The CCM/SLI/R-D showed promising tumor-homing capability. Most importantly, the synergetic effect of miR495 and DOX achieved much more potent anticancer effect to mono-delivery DDS or free DOX both in vitro and in vivo.
数据和材料的可用性
The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.
缩写
- AEAPS:
-
N -(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane
- CCM:
-
Cancer cell membrane
- DDS:
-
Drug delivery systems
- DLC:
-
Drug loading content
- DOX:
-
Doxorubicin
- HPLC:
-
高效液相色谱
- MCTS:
-
Multicellular tumor spheroid
- MDR:
-
Multidrug resistance
- miRNA:
-
MicroRNAs
- MTT:
-
Methyl thiazolyl tetrazolium
- P-gp:
-
P-glycoprotein
- SLI:
-
二氧化硅
- TEOS:
-
原硅酸四乙酯
纳米材料
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