羟基磷灰石纳米颗粒选择性杀伤肝癌细胞的分子机理研究

One of the crucial aspects of the success of anticancer drugs is its ability to specifically kill cancer cells. Recently, it has been reported that hydroxyapatite nanoparticles (HAPNs) can inhibit cell proliferation of various types of cancer cells in vitro and in vivo. Furthermore, it has been shown that HAPNs provoked selective cytotoxicity in human hepatocellular carcinoma but spared normal hepatocyte cells, and the selective cytotoxicity seemed to be related with nuclear targeting of HAPNs in hepatoma cells. However, the exact mechanism that resulted in cancer-specific cytotoxicity is still unclear. Here, in this study, in order to answer the questions: what determine the selective nuclear targeting of HAPNs and what pathways are involved to induce cytotoxicity in hepatoma cells, three central issues concerning selective cytotoxicity of HAPNs, including their uptake and intracellular trafficking, the interaction between HAPNs and intracellular meterials, and the cell response to HAPNs treatment, will be studied. Moreover, more types of cancerous and healthy cells will be used to test the universal cancer-cell specific cytotoxicity of HAPNs, and the mechanism of differential cytotoxicity caused by different HAPNs preparations in different cell types will also be explored. The results of this study will deepen our understanding of the mechanism of cell-specific cytotoxicity of HAPNs, thus providing guidance for the design of HAPNs-based drug or drug delivery system in tumor therapy, and enrich our knowledge about cell response to biomaterials and cancer biology as well.

实现选择性杀伤肿瘤细胞是成功研发抗癌药物的关键。以正常肝细胞为对照的研究发现，羟基磷灰石纳米颗粒（HAPNs）通过靶向细胞核能选择性地杀伤肝癌细胞，但对导致选择性细胞毒性的分子机理并不清楚。本项目将瞄准HAPNs选择性杀伤肝癌细胞这一现象背后的关键科学问题：HAPNs如何实现选择性靶向肝癌细胞核以及通过怎样的分子途径引发细胞毒性，从纳米粒子在胞内的摄取和转运、粒子与胞内微环境的相互作用、粒子入核后的生物效应三方面开展深入和系统的研究，阐明HAPNs选择性抑制肝癌细胞生长的分子机理。在此基础上，增加不同类型的肿瘤和正常细胞，考察HAPNs选择性杀伤肿瘤细胞的普遍性，并针对细胞种类和粒子特性导致的差异性细胞毒性进行机理探索。研究结果一方面可以促进HAPNs作为抗癌药物或载药体系的研发，另一方面还可以丰富纳米材料生物效应和肿瘤细胞学等相关领域的基本理论，具有重要的科学意义和潜在的广阔应用前景。

羟基磷灰石是生物硬组织的主要无机成分，具有良好的生物相容性。我们的前期工作发现，羟基磷灰石纳米粒子（HAPNs）能在不影响正常肝细胞生长的条件下抑制肝癌细胞生长，具有选择性抗肿瘤活性。本项目中，我们以人肝癌细胞和正常肝细胞为对象，研究粒子的摄取和胞内转运、粒子与胞内微环境的相互作用、粒子在胞内的生物效应，探索HAPNs选择性抗肿瘤活性机理。考察HAPNs抗肿瘤活性的普遍性及相关机理。探索粒子特性对抗肿瘤活性的影响。将研究拓展至二氧化硅纳米粒子（SNPs），研究其抗肿瘤活性及机理。取得以下主要进展：.第一，与正常肝细胞相比，肝癌细胞更多通过网格蛋白依赖途径摄取HAPNs，胞内钙离子浓度在粒子作用下持续升高，这两方面的因素很可能是导致HAPNs对肝癌细胞选择性毒性的主要原因。第二，HAPNs选择性抗肿瘤活性具有一定的普遍性。除肝癌细胞外，HAPNs还不同程度抑制人宫颈癌、胃癌、乳腺癌和肺癌细胞生长，在肿瘤细胞中引发线粒体途径凋亡以及氧化胁迫响应。以正常支气管上皮细胞为对照，HAPNs能更高效地靶向肺癌细胞线粒体，特异性抑制肺癌细胞生长，并对小鼠肺癌模型具抗癌活性。HAPNs对不同肿瘤细胞的毒性与胞内钙离子水平持续上升程度相关。HAPNs不仅抑制多药耐性乳腺癌细胞生长，还能高效负载化疗药物阿霉素，提高药物的胞内累积，使药物半致死剂量下降153倍。第三，开发液相沉淀法、反相微乳液法、微波-超声液相法制备不同特性HAPNs，对反应条件影响粒子特性的规律有了基本认识，粒子大小和比表面积对HAPNs的抗肿瘤活性有影响。第四，SNPs能在不影响正常肝细胞生长的条件下抑制肝癌、胃癌和宫颈癌细胞细胞生长，氧化胁迫是导致细胞毒性的主要原因。与正常肝细胞相比，肝癌细胞抗氧化能力较弱，但能更快速高效地摄取SNPs，更多粒子被转运至线粒体中，在胞内产生大量ROS，引发选择性细胞毒性。.共发表SCI收录文章7篇，撰写专著1章，申请专利1项，培养学生5名。.研究结果揭示了HAPNs对肿瘤细胞选择性毒性的重要机理，可促进HAPNs抗癌药物或载药体系的研发。发现肿瘤细胞调控胞内钙超载机制与正常细胞存在差异，为进一步深入研究肿瘤细胞独特的生长代谢调控机理提供了一个有重要科学意义的切入点。有关SNPs的研究结果丰富了有关纳米材料生物效应和肿瘤细胞特性的认识，有助于更加全面客观地评价粒子生物效应及其安全性。