多倫多大學的Warren C. W. Chan團隊致力于提高藥物向腫瘤的遞送效率，2020年初，他們探討了納米顆粒的腫瘤滲透現(xiàn)象，并對納米粒子進入實體腫瘤的機制提出了質疑，公認的EPR效應并不能很好解釋納米藥物在腫瘤部位的富集現(xiàn)象，而轉胞吞作用可能是主要機制。他們提倡要進行基礎研究，正所謂大道至簡。近期，他們又在Nature Materials刊文，發(fā)現(xiàn)給藥劑量閾值在提高納米藥物向腫瘤的遞送效率起到關鍵作用，論文題目為“The dose threshold for nanoparticle tumour delivery”。通過簡單的提高納米藥物劑量就能實現(xiàn)更多的腫瘤富集和更好的治療效果。
納米藥物的發(fā)展為腫瘤治療帶來了不可估量的前景，但是目前只有十種納米藥物通過了FDA的審批。研究表明，只有0.7%的納米藥物能夠到達腫瘤部位，這極低的遞送效率無疑阻礙了納米藥物的臨床發(fā)展。傳統(tǒng)的對納米藥物的尺寸、形貌、表面化學等的調控也只能有限的提高遞送效率，因此，很需要發(fā)展一種通用的方法有效提高納米藥物向腫瘤的遞送效率。
Warren C. W. Chan團隊發(fā)現(xiàn)納米藥物遞送存在劑量閾值，必須打破這個劑量閾值才能實現(xiàn)可預測的、有效的藥物遞送。這個閾值存在于Kupffer細胞吸收納米顆粒的動力學極限，而不是它們的總容量。
肝臟清除的劑量閾值
肝臟是最大的網狀內皮系統(tǒng)(RES)器官，在治療過程種會攝取大量的納米藥物并將其清除。作者假設，一旦給藥劑量超過Kupffer細胞對納米藥物的最大攝取速率，那么被肝臟攝取的納米藥物的比例將會降低。于是作者給長瘤的小鼠注射劑量跨越三個數(shù)量級（500億到50萬億）的納米藥物，發(fā)現(xiàn)增加給藥劑量能明顯延長納米藥物的血液半衰期（2 min增加到8 h），說明高劑量藥物能明顯降低肝臟清除效率。
為了探究潛在的劑量閾值，作者研究了肝細胞能夠攝取24 h以上的納米粒子的數(shù)量。他們發(fā)現(xiàn)，這個閾值不是由于Kupffer細胞死亡（研究的劑量范圍內沒有觀察到肝細胞毒性），并且與加速血液清除率現(xiàn)象無關。在24小時內，超過1萬億納米顆粒的單次劑量，Kupffer細胞的攝取基本上受到限制。
劑量閾值在Kupffer細胞中的作用機制
給藥30?min后的活體成像表明，巨噬細胞的攝取能力并未達到飽和，這與之前研究的網狀內皮系統(tǒng)阻斷（假設必須通過治療前注射使容量飽和，以減少第二劑量治療性納米藥物的清除）相反，大量超過閾值的納米藥物通過超越Kupffer細胞攝取速率而不是攝取能力而影響肝臟清除。
隨后，作者研究了三個通用的Kupffer細胞的攝取通路（網格蛋白和小窩蛋白介導的內吞作用、大胞飲作用和受體介導的吞噬作用）以理解高于閾值的給藥劑量是如何超越攝取速率的。作者首先排除了小泡或網格蛋白介導的內吞作用，因為這些小泡在Kupffer細胞中通常不會攝取大于35 nm的粒子。然后通過與大胞飲標記物右旋糖苷的熒光對比，也排除了大胞飲過程。因此作者猜測Kupffer細胞攝取納米粒子是通過受體介導的吞噬作用。注射納米粒子15 min后，低劑量的納米粒子只能勾勒出輪廓，而高劑量注射的納米粒子集中分布在管腔內，表明高劑量給藥影響了受體和血竇壁的結合位點。作者總結，納米粒子的劑量閾值與Kupffer細胞上可用受體的數(shù)量和結合位點有關。具體的受體在未來的工作種仍有待確定。超過這個有效結合位點閾值的劑量會使Kupffer細胞的吸收速率過大，肝臟清除率降低，循環(huán)時間延長。
超過閾值的腫瘤遞送
然后作者研究了腫瘤遞送效率和納米粒子個數(shù)的關系，以評估劑量閾值，并確定超過該閾值的給藥特性。實驗發(fā)現(xiàn)，增加納米粒子給藥劑量，向腫瘤遞送的粒子明顯增多，肝臟富集相應降低。作者還比較了高于閾值的單次劑量與低于閾值的多劑量給藥（總給藥量相同）的生物分布，以測試這種效應是否會累積。結果表明，盡管兩組納米粒子總數(shù)相同，但單次大劑量給藥的肝臟蓄積減少，循環(huán)半衰期增加，腫瘤釋放量增加。腫瘤遞送效率在最低注射劑量時為0.03%，在最高劑量時為12%。這與高劑量納米粒子超過肝臟攝取速率而不是絕對攝取能力的原則是一致的。這些結果證實了單次注射超過1萬億納米粒子的閾值可以改善腫瘤的傳遞。
作者對于研究者這么晚才發(fā)現(xiàn)給藥劑量閾值這一概念感到十分驚訝，畢竟給藥效率在治療過程中式如此重要。這可能也源于研究者普遍只報道了低劑量給藥。在典型的納米粒子尺寸依賴性研究中，劑量被歸一化到表面積或質量，這導致了更小的納米粒子數(shù)量的增加。當我們以表面積或質量為單位對劑量進行歸一化時，閾值變得模糊，劑量與腫瘤遞送的相關性顯著下降，腫瘤和肝臟中出現(xiàn)了大小依賴的積累。這表明納米粒子的劑量在大小依賴研究中可能是一個混雜變量，它被歸一化指標的選擇所隱藏。而按納米粒子數(shù)量計算的劑量可能比納米粒子大小更合適。
腫瘤細胞傳遞超過閾值劑量
作者還研究了增加劑量和遞送對腫瘤中納米粒子與細胞相互作用的影響。藥物向細胞的不完全遞送是一個普遍的局限性，原因之一是藥物很難在遠端擴散。作者假設，更高的遞送效率會導致腫瘤中更大的納米顆粒子濃度梯度，從而最終促進更多的細胞相互作用。于是作者對靠近血管的納米粒子進行成像，觀察到超過萬億閾值的高劑量的納米粒子分布在更遠的血管和更深的腫瘤組織中，并且93%的肝臟細胞都攝取了高劑量納米粒子。而低于閾值的納米粒子(0.2萬億)稀疏地分布在腫瘤組織中，只有0.7%的細胞將其內化。
高于給藥閾值提高治療效果
為了解決納米粒子數(shù)量與藥物劑量之間的關系，作者選擇良性填充納米粒子增加納米粒子數(shù)量，而不增加活性藥物的劑量。他們比較了兩個接受相同劑量的治療性納米粒子的4T1荷瘤小鼠組，但實驗組同時接受額外劑量的給藥增強劑。兩組小鼠都接受了超過1萬億的納米顆粒，以確保顯著的劑量依賴性。實驗發(fā)現(xiàn)，實驗小鼠的阿霉素血清和腫瘤水平更高，陽性細胞核數(shù)量更多，腫瘤體積減小57%，生存期延長29%，治療效果明顯優(yōu)于對照組。
同時作者還發(fā)現(xiàn)，Kupffer細胞是一個異質性群體，每個細胞清除特定的納米粒子類型。劑量閾值原理比網狀內皮系統(tǒng)阻斷技術更有效。總的來說，納米粒子的劑量超過閾值直接提高治療效果，而不依賴于活性藥物的劑量。
1萬億的閾值在所有文獻中都存在
作者在40份出版物中成功地按粒子數(shù)重新計算了納米顆粒的劑量，獲得了67個總劑量和給藥數(shù)據點，發(fā)現(xiàn)按納米粒子數(shù)計算的劑量與給藥量相關。這些論文中使用的中位劑量是1.2萬億納米粒子，接近實驗中觀察到的1萬億閾值。高于該閾值劑量的文獻明顯多于低于該閾值劑量的文獻。作者進一步將這些數(shù)據分為無機和有機、被動和主動、小(≤50納米)和大(>50納米)納米粒子，并觀察到該閾值在所有亞類都持續(xù)存在。這些結果強調了按數(shù)量計算的納米粒子劑量與腫瘤給藥之間的關系是重要的，但迄今為止，尚未實現(xiàn)。作者也敦促科研人員考慮使用高于閾值劑量的納米粒子進行給藥。
臨床納米藥物的探討
目前用于人體的納米顆粒給藥標準與小分子藥物相同，根據活性藥物的量分配劑量。例如，Caelyx的推薦劑量是每平方米50毫克阿霉素，而沒有提及納米粒子的當量劑量。納米粒子或活性藥物成分的適當度量是有爭議的。根據質量推斷，并假設Kupffer細胞密度和活性與小鼠相似，人類納米粒子的劑量應該超過1500萬億納米顆粒的閾值才能實現(xiàn)有效的腫瘤遞送。Caelyx、Myocet和Onivyde等成功的臨床納米粒子的典型劑量超過了這一閾值，分別達到8.6、1.7和1.9萬億。
小結
作者發(fā)現(xiàn)了一種納米粒子數(shù)目閾值劑量，可以改善納米顆粒給藥和治療。1萬億納米粒子的一般閾值使肝臟不堪重負，并在小鼠身上將注射劑量的12%最大化到腫瘤。這一特定值可能因納米粒子設計和體內種類而異，但它形成了大于1萬億納米粒子的基本劑量閾值概念。目前臨床批準的抗腫瘤納米粒子制劑，如Caelyx/Doxil，可以采用增強遞送策略提高對實體腫瘤的治療效果。廣泛而仔細地評估納米粒子劑量與這一閾值，將提供一種強大的、通用的和簡單的方法，以推進新一代的給藥策略，成像、診斷和治療。
原文鏈接：
