光/pH二重制御薬物放出「ナノコンテナ」が腫瘍の低酸素状態を緩和し、化学療法、光線力学療法、化学力学療法の相乗効果を強化

学術的背景

臨床がん治療において、化学療法と放射線療法には、薬剤耐性、治療の不完全性、周期的な再発など多くの制限があります。これらの欠点を克服するために、研究者たちは多モーダル併用療法を含むさまざまな代替戦略を開発してきました。この治療法は他の療法と補完し、腫瘍治療の効果を向上させることができます。光線力学療法（PDT）は、光活性化光感受性物質と環境中の酸素（O₂）を利用して高レベルの毒性活性酸素種（ROS）を生成し、がん細胞を殺す典型的な酸化治療戦略です。PDTは、非侵襲性、迅速な効果発現、オンデマンド制御性により、原発性腫瘍治療において顕著な利点を持っています。しかし、腫瘍の低酸素微小環境はPDTプロセス中のROS生成を制限し、PDTのがん治療への応用を制約しています。

β-ラパキノン（LPC）は、トポイソメラーゼ1と直接相互作用することで腫瘍細胞の増殖を抑制する新しい化学療法薬です。しかし、LPCが過酸化水素（H₂O₂）を生成する能力は、腫瘍内の酸素含有量に依存しています。腫瘍細胞は急速な増殖のために大量の酸素を消費し、長期的な低酸素微小環境を引き起こします。これにより、PDTとLPCの抗腫瘍効果が著しく制限されています。したがって、腫瘍の低酸素環境を改善することが、PDTと化学療法の併用治療効果を確保するための前提条件です。

論文の出典

この論文は、Shihe Liu、Xin Zhang、Zhimin Baiら研究者によって共同執筆され、燕山大学の複数の研究室（河北省応用化学重点実験室、河北省ナノバイオテクノロジー重点実験室など）から発表されました。この研究は2024年10月19日にBio-design and Manufacturing誌にオンライン掲載され、DOIは10.1007/s42242-024-00310-5です。

研究のプロセス

1. ナノ薬物送達システムの設計と合成

研究者たちは、多孔性配位ネットワーク（PCN）に基づく光/pH二重制御薬物送達システムを設計し、LPC@PCN@PDA/Fe³⁺-AS1411（LPPFA）と名付けました。このシステムは、β-ラパキノン（LPC）をPCN（Mn）フレームワークにロードし、その表面にポリドーパミン（PDA）をコーティングし、最後に核酸アプタマーAS1411と三価鉄イオン（Fe³⁺）を修飾して構築されました。

• PCN（Mn）の合成：溶媒熱法を用いてPCN（Mn）を合成し、四水和塩化マンガン（MnCl₂·4H₂O）と四（4-カルボキシフェニル）ポルフィリン（TCPP）をジメチルホルムアミド（DMF）に溶解し、酢酸を加えた後、150°Cで12時間反応させ、黒色沈殿物を得ました。
• LPCのロード：PCN（Mn）とLPCをエタノール中で混合し、遠心分離と紫外分光法によりLPCの封入効率と薬物負荷量を測定しました。
• PDAコーティングの作成：ドーパミンの酸化重合反応により、LPC@PCN表面にPDAコーティングを形成し、輸送中の薬物漏れを防ぎました。
• Fe³⁺とAS1411の修飾：キレート反応とアミド反応により、Fe³⁺とAS1411を順次PDA表面に修飾し、最終的なLPPFAナノ粒子を形成しました。

2. ナノ粒子の特性評価

研究者たちは、透過型電子顕微鏡（TEM）、動的光散乱（DLS）、紫外可視分光法（UV-Vis）などの手段を用いて、ナノ粒子の形態、サイズ、表面電位などを詳細に評価しました。その結果、LPPFAナノ粒子は均一な球形構造を持ち、サイズは約160 nmで、良好な分散性と安定性を示しました。

3. 光熱性能の評価

研究者たちは、LPPFAの光熱変換性能を評価しました。808 nm近赤外レーザー照射下で、LPPFA溶液の温度は25°Cから52°Cに急速に上昇し、優れた光熱変換効率を示しました。さらに、LPPFAは複数回のレーザー照射後も安定した光熱性能を維持し、良好な光熱安定性を示しました。

4. 薬物放出挙動の研究

研究者たちは、LPPFAの異なるpHとレーザー照射条件下での薬物放出挙動を研究しました。その結果、酸性環境（pH=5.5）では、LPCの放出速度が中性環境（pH=7.4）よりも顕著に高くなりました。さらに、808 nmレーザー照射はLPCの放出をさらに促進し、LPPFAがpHと光の二重応答性を持つ薬物放出特性を示すことが明らかになりました。

5. 光線力学および化学力学性能の評価

研究者たちは、DPBF消去法とDCFH-DA蛍光プローブ法を用いて、LPPFAの光線力学および化学力学性能を評価しました。その結果、LPPFAは660 nmレーザー照射下で大量のROSを生成し、Fe³⁺の存在がROS生成をさらに増強することが示され、LPPFAが優れた光線力学および化学力学治療効果を持つことが明らかになりました。

6. 細胞実験

研究者たちは、CCK-8実験、ミトコンドリア膜電位測定、細胞アポトーシス実験を用いて、LPPFAの腫瘍細胞に対する抑制作用を評価しました。その結果、LPPFAは808 nmおよび660 nmレーザー照射下で腫瘍細胞の増殖を著しく抑制し、細胞アポトーシスを誘導することが示されました。

7. 動物実験

研究者たちは、マウス子宮頸がんモデルを用いてLPPFAの体内抗腫瘍効果を評価しました。その結果、LPPFAは808 nmおよび660 nmレーザー照射下で腫瘍の成長を著しく抑制し、マウスの肝臓および腎臓機能に明らかな毒性を示さないことが明らかになりました。

主な結果

1. ナノ粒子の合成と特性評価：LPPFAナノ粒子の合成に成功し、その形態、サイズ、表面電位などを詳細に評価しました。
2. 光熱性能：LPPFAは808 nmレーザー照射下で優れた光熱変換効率と安定性を示しました。
3. 薬物放出挙動：LPPFAは酸性環境およびレーザー照射下でLPCの急速な放出を実現しました。
4. 光線力学および化学力学性能：LPPFAは660 nmレーザー照射下で大量のROSを生成し、Fe³⁺の存在がROS生成をさらに増強しました。
5. 細胞実験：LPPFAは808 nmおよび660 nmレーザー照射下で腫瘍細胞の増殖を著しく抑制し、細胞アポトーシスを誘導しました。
6. 動物実験：LPPFAは808 nmおよび660 nmレーザー照射下で腫瘍の成長を著しく抑制し、マウスの肝臓および腎臓機能に明らかな毒性を示しませんでした。

結論

この研究では、光/pH二重制御応答性ナノ薬物送達プラットフォームを開発し、腫瘍の低酸素環境を効果的に改善し、PDT、CDT、化学療法の相乗効果を実現しました。LPPFAナノ粒子は、優れた腫瘍ターゲティング性、光熱変換性能、薬物放出特性を持ち、腫瘍の成長を著しく抑制し、正常組織に明らかな毒性を示しませんでした。この研究は、インテリジェントな多機能治療ナノプラットフォームの開発に新たな視点を提供します。

研究のハイライト

1. 多モーダル併用療法：LPPFAナノ粒子は、PDT、CDT、化学療法を同時に実現し、抗腫瘍効果を著しく向上させました。
2. 光/pH二重応答性：LPPFAナノ粒子は、酸性環境およびレーザー照射下で薬物の急速な放出を実現し、薬物のターゲティング性と治療効果を向上させました。
3. 優れた生体適合性：LPPFAナノ粒子は正常組織に明らかな毒性を示さず、良好な生体安全性を持っています。