基于碳酸氢钠酸触发反应的pH响应聚合物纳米粒的构建及其克服肿瘤多药耐药性研究

Multidrug resistance (MDR) is one of the main obstacles to effective cancer chemotherapy. The most common mechanism of MDR has been correlated with the overexpression of P-glycoprotein (P-gp), leading to the efflux of many anticancer drugs with consequent drug insensitivity. According to acidic organelles of cancer cell, acid-triggered chemical reaction of sodium bicarbonate (NaHCO3) and P-gp inhibition by D-α-tocopheryl poly(ethylene glycol) 1000 succinate (TPGS), novel pH-responsive polymeric nanoparticles (NPs) for overcoming MDR are designed and established in this project. To achieve this, biodegradable poly(lactic-co-glycolic acid)-TPGS copolymer is chosen as the carrier material, and an anticancer drug doxorubicin with pH-responsive molecule NaHCO3 are readily incorporated into NPs together by the double emulsion method. In vitro cytotoxicity and cellular uptake, intracellular drug release and in vivo anticancer activity against drug-sensitive and drug-resistant cancer cells are extensively evaluated to explore the fundamental law and mechanism of these NPs in the reversion of MDR. A novel NaHCO3-concentration-dependent, pH-responsive drug release pattern is developed. The enhanced effect of TPGS modification on the cellular uptake efficiency is determined. A combinatorial effect of P-gp-inhibited cellular uptake and pH-responsive intracellular quick release of drug is revealed. The proposed research will be the theoretical and practical basis for the design of drug carriers to overcome MDR and enhance the efficacy of chemotherapy, and will provide the new idea and method to pH-responsive drug release area.

多药耐药性是导致肿瘤化疗失败的重要原因，其主要形成机制为肿瘤细胞表面P-糖蛋白过表达所致药物外排增加。本项目基于肿瘤细胞酸性特征和碳酸氢钠的酸触发反应以及聚乙二醇1000维生素E琥珀酸酯(TPGS)对P-糖蛋白的抑制作用，设计并构建了具有克服多药耐药性的新型pH响应聚合物纳米粒。以可生物降解聚乳酸羟基乙酸共聚物-TPGS共聚物为载体材料，采用复乳法制备同时包埋抗癌药物多柔比星和 pH 响应分子碳酸氢钠的纳米粒。通过体外细胞摄取和细胞毒性、细胞内药物释放、体内药效学等实验系统研究纳米粒逆转多药耐药性的基本规律和机制。探讨碳酸氢钠浓度依赖性的pH响应释药新模式，明确TPGS修饰对细胞摄取的提高作用，揭示抑制P-糖蛋白外排的细胞摄取和 pH 响应细胞内药物快速释放的协同作用效应。研究将为克服肿瘤耐药、提高化疗效果的药物载体设计提供理论与实践基础，为pH响应药物释放领域的研究提供新思路和新手段。

多药耐药性是导致肿瘤化疗失败的重要原因，其主要形成机制为肿瘤细胞表面P-糖蛋白过表达所致药物外排增加。本项目基于肿瘤细胞酸性特征和碳酸氢钠的酸触发反应以及聚乙二醇1000维生素E 琥珀酸酯(TPGS)对P-糖蛋白的抑制作用，设计并构建了具有克服多药耐药性的新型pH响应聚合物纳米粒。以可生物降解聚乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)-TPGS 共聚物为载体材料，内部同时包埋抗癌药物多柔比星和pH响应分子碳酸氢钠，采用优化的复乳法制备工艺得到了粒径大小为50-100 nm，包封率高于90%、稳定性好的pH响应聚合物纳米粒(TPNPs-w-NaHCO3)。TPNPs-w-NaHCO3的体外药物释放具有pH值依赖性，在pH=5.0的酸性环境下，24小时的药物释放率接近100%。TPGS修饰PLGA纳米粒(TPNPs)和TPNPs-w-NaHCO3在乳腺癌耐药细胞(MCF-7/ADR)中的摄取率分别是对照组PLGA纳米粒(PNPs)的6.9倍和7.2倍。TPNPs-w-NaHCO3对乳腺癌耐药细胞的毒性最显著。与对照组游离多柔比星和PNPs相比，TPNPs和TPNPs-w-NaHCO3能够显著地抑制乳腺癌耐药细胞膜上P-gp的表达和细胞内的ATP水平。细胞内药物释放结果表明，在24小时的共培养条件下，对照组TPNPs仍旧呈现橙色，没有药物（红色）聚集在细胞核里。相比之下，在共培养1小时后，TPNPs-w-NaHCO3进入细胞的早期内涵体；当到达4小时，纳米粒变成黄色，在纳米粒周围有微弱的红色荧光；在12-24小时释放过程中，细胞核中的红色荧光越来越强，在细胞核周围的绿色荧光也越来越强。游离的多柔比星在小鼠体内的主要富集脏器是肝脏、肾脏和肺部，在肿瘤内的浓度较低。相比之下，TPNPs-w-NaHCO3在肿瘤部位的浓度是游离多柔比星的14.7倍，并且大大降低了在肝脏、肾脏和肺部的富集。荷瘤裸鼠体内抗肿瘤活性实验结果显示，游离的多柔比星对肿瘤的生长能够抑制64.1%，TPNPs-high-NaHCO3对肿瘤的生长抑制率达到了96.3%。本项目揭示了抑制P-糖蛋白外排的细胞摄取和pH 响应细胞内药物快速释放的协同作用效应，为克服肿瘤耐药、提高化疗效果的药物载体设计提供了理论与实践基础，为pH响应药物释放领域的研究提供了新思路和新手段。