Nat. Nanotechnol.: GSH介导的生物转化调节纳米粒子的体内转运

大兵哥 5年前 (2019-07-25) 5394浏览

【研究背景】

谷胱甘肽介导的肝内生物转化是众所周知的解毒过程。对于工程纳米颗粒，肝内单核吞噬细胞系统（MPS）可以缩短其血液滞留时间，诱导长期纳米毒性，阻止疾病靶向，降低临床转化潜力。对于小型外源性物质，肝脏解毒作用主要依赖谷胱甘肽（GSH）介导的生物转化。GSH在肝脏内含量较高（~10 mM），它的亲核半胱氨酸残基对亲电代谢物或重金属具有高度反应性，可以降低它们的毒性，增加它们的亲水性，并通过肝胆途径或肾脏系统清除。然而，GSH介导的生物转化如何影响纳米粒子的血液滞留、疾病靶向和体内清除仍然是未知的，即使这一生理过程不断在体内发生。与MPS介导的工程纳米粒子解毒相比，人们对GSH介导的解毒过程知之甚少，主要因为：（1）MPS与GSH介导的肝脏解毒作用常常难以区别，使得很难准确定位GSH介导的生物转化在纳米颗粒转运中的作用；（2）缺乏用于肝脏中GSH介导的生物转化的实时非侵入性监测的成像技术；（3）在体内生物转化后回收工程纳米粒子进行详细的化学分析非常具有挑战。

【成果简介】

近期，德克萨斯大学达拉斯分校郑杰教授和蒋兴垭博士（第一作者）通过设计可与血清蛋白结合并转运至肝脏的硫醇可激活的荧光金纳米探针ICG₄-GS-Au25（ICG，吲哚菁绿；GS-Au25，GSH包被的Au25纳米团簇），以高特异性非侵入性地在体内成像生物转化动力学，并在化学水平上检测了这一过程。研究结果表明，肝细胞的GSH外排导致肝窦中GSH和半胱氨酸（Cys）的局部升高，这改变了纳米颗粒表面的化学性质，降低了其对血清蛋白的亲和力，并显著改变了其血液滞留、靶向性和清除性。通过这种生物转化，肝脏的解毒作用，这个长期以来被认为是纳米药物转化的阻碍，可以成为提高纳米药物的靶向和降低纳米毒性的桥梁。该成果近日以题为“Glutathione-mediated biotransformation in the liver modulates nanoparticle transport”发表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图一：ICG₄-GS-Au25与肝窦内GSH外排的相互作用

（a）肝细胞GSH外排到肝窦。
（b）ICG₄-GS-Au25在肝内的作用过程及检测机理。

图二：ICG-GS-Au25纳米探针的表征

（a）巯基可活化的ICG-GS-Au25纳米探针的示意图：当ICG与Au25上的GSH连接时，ICG的荧光由于光诱导的电子转移而严重猝灭，一旦ICG-GS配体被生物硫醇分子置换并从Au25表面分离，电子转移过程就被破坏，同时恢复ICG的NIR荧光。
（b）含不同数目ICG [0.9 (1), 1.8 (2), 2.6 (3), 4.1 (4)]的GS-Au25和单独ICG的吸收曲线。
（c）相同ICG浓度下，对应（b）中材料的的荧光谱图。
（d）溶解在PBS中的材料1-5的彩色图像（上图），相应的体内成像ICG荧光信号（中间），底部为相同量的材料1-5的荧光信号溶解在含有10mM GSH的PBS中（pH调节至7.4）。
（e）GS-Au25和GS-Au25 ICG材料的血清蛋白结合百分比。
（f）将ICG₄-GS-Au25在PBS或50％FBS中与不同浓度的GSH（pH调节至7.4）在37℃ 孵育10分钟后ICG荧光恢复的百分比。

图三：肝细胞GSH释放对ICG₄-GS-Au25体内行为的影响

（a）BALB/c小鼠静脉注射GS-Au25和ICG₄-GS-Au25 (n=3)的肾脏清除动力学。
（b）(i)静脉注射GS-Au25和ICG₄-GS-Au25（n=3）的药代动力学；(ii) GS-Au25和ICG4-GS-Au25（n=3）药代动力学测量得到的药代动力学曲线下面积(AUC)和清除参数。
（c）静脉注射ICG₄-GS-Au25（n=3）后24小时，尿液和粪便中的ICG和Au清除率。
（d）静脉注射ICG₄-GS-Au25的PBS处理（对照组）和DEM处理小鼠的时间序列无创荧光成像。
（e）在静脉内注射相同的ICG₄-GS-Au25后的前5分钟，PBS处理小鼠和DEM处理小鼠（n=3）的肝内ICG荧光动力学。
（f）静脉注射ICG₄-GS-Au25后PBS处理小鼠和DEM处理小鼠（n=3）中每个循环Au25的ICG分子平均数。
（g）在静脉内注射相同的ICG₄-GS-Au25后，PBS处理和DEM处理小鼠（n=3）的前2小时Au药代动力学。
（h）静脉注射ICG₄-GS-Au25后10分钟和24小时正常小鼠肝组织切片的荧光成像。
（i）从静脉注射ICG₄-GS-Au25的PBS处理小鼠和DEM处理（n=3）小鼠尿液中排泄的Au纳米团簇的吸收曲线。

图四：体内生物转化后Au25表面化学分析

（a）用于分析生物转化后Au25表面配体的两相配体交换法的示意图。
（b）HPLC结果表明Au25的表面配体在注射ICG4-GS-Au25的小鼠的尿液中排泄（n=3）。
（c）（i）GS-Au25表面配体(Au25(SG)18)体外37℃培养10 min，体内循环10 min，双肾动脉暂时夹住，以防止GS-Au25肾脏快速清除，体外培养10 min后的HPLC结果；（ii）体外孵育或体内循环10 min后每个Au25表面上的Cys配体的平均数目（n=3）。
（d）静脉注射ICG₄-GS-Au25后10 min正常小鼠H＆E染色的肾组织的荧光成像。

图五：ICG4-GS-Au25的肿瘤靶向研究

（a）以Au（i）和ICG（ii）对比注射24小时的ICG₄-GS-Au25与GS-Au25和游离ICG对MCF-7细胞的靶向效率（n=3）。
（b）静脉注射游离ICG和ICG₄-GS-Au25（n=3）的小鼠血液中ICG药代动力学的对比。
（c）静脉注射ICG₄-GS-Au25或等量的游离ICG后，在不同时间点 MCF-7荷瘤小鼠的荧光图像。
（d）静脉注射ICG₄-GS-Au25和游离ICG（n=3）后，时间依赖性小鼠肿瘤对比指数。
（e）ICG₄-GS-Au25和游离ICG（n=3）的时间依赖性肿瘤荧光强度。
（f）左：在静脉内注射ICG₄-GS-Au25后15 min，将小鼠安乐死并用PBS彻底灌注以除去血管中的ICG-Au25结合物，然后切除肿瘤并瘤内注射GSH（10 mM, pH7.4）以诱导ICG-Au25在肿瘤微环境中解离。
右：在注射GSH之前和之后的肿瘤ICG荧光强度（n=3）。
（g）静脉注射ICG₄-GS-Au25后24小时H＆E染色肿瘤组织的荧光成像。

图六：肝内GSH介导的生物转化影响ICG4-GS-Au25的体内转运

静脉内给药后，ICG₄-GS-Au25纳米团簇立即与血清蛋白结合。血清蛋白结合的ICG₄-GS-Au25的整体尺寸大于肾脏过滤阈值，因此可以防止快速肾脏消除，并部分转运到肝窦。由于肝窦处局部高浓度的GSH和半胱氨酸使部分或全部的ICG-GS从Au25表面置换脱离，降低了ICG₄-GS-Au25的蛋白结合亲和力。被置换的ICG-GS被肝细胞摄取并通过肝胆途径清除，而生物转化的ICG-GS-Au25纳米团簇被转运回血液循环并通过EPR效应靶向肿瘤组织。当生物转化的ICG-GS-Au25纳米团簇循环到肾脏时，对血清蛋白具有低亲和力的纳米颗粒通过肾小球过滤并在肾近端小管中进行额外的表面修饰，其中Au25纳米团簇上剩余的ICG-GS被半胱氨酰甘氨酸进一步取代，近端小管中GSH的细胞外代谢产物。对于仍然与血清蛋白结合的生物转化的ICG-GS-Au25，它们保留在血流中并继续靶向肿瘤。在肿瘤中，ICG₄-GS-Au25及其生物转化的衍生物进入肿瘤微环境并被肿瘤细胞摄取。高浓度的胞内GSH诱导ICG-GS从细胞内的Au25解离并持续发光。

【总结展望】

作为众所周知的解毒过程，肝脏内GSH介导的生物转化，可用于调节纳米颗粒的体内运输，以提高纳米粒子的疾病靶向同时减少在健康组织中的非特异性积累，降低“脱靶”纳米粒子的危害。此外，这种对纳米粒子的化学水平和体内转运的纳米生物相互作用的基本理解将进一步推进纳米生理学和毒理学，为纳米药物的临床转化开辟了更多的机会。

文献链接：Glutathione-mediated biotransformation in the liver modulates nanoparticle transport(Nature Nanotechnology,2019, DOI: 10.1038/s41565-019-0499-6)

研究团队简介

郑杰博士，德克萨斯大学达拉斯分校化学与生物化学系终身教授，德克萨斯大学西南医学中心泌尿科兼职教授。主要研究方向为纳米生物医学，纳米材料与生物体的相互作用和生物成像等。迄今已在Nature nanotechnology，Nature reviews materials， JACS， Angew Chem Int Ed，ACS Nano等高水平期刊作为通讯作者发表论文40余篇。