基于3D细胞模型的抗肿瘤药物转运动力学及影响因素研究

Traditionally, the monolayer cells cultured in vitro are used to surrogate the tissure in the body, and the cells are equally exposed to drugs directly. These models neglect the dimensional structure of the tissue and its inner heterogeneity, which subsequently lead to differential pharmacokinetic behaviours of drugs in tissues. Therefore, the results of drug evaluations based on monolayer cell culture lack the support of pharmacokinetics, and cause to the disconnections between in vitro and in vivo assays. Actually, drugs will exhibit their pharmacological effects sufficiently when the drugs could penetrate through each cell of the target tissue and distribute into the intracellular targets. Therefore, good predicitons of drug pharmacological activities from in vitro to in vivo could be achieved only when the in vitro models include the pharmacokinetic process of the drugs. Taking adriamycin and paclitaxel as representatives of anticancer agents with different intracellular targets, our project aims to establish the 3D tumor cell culture model in vitro, and then develop the research procedure for their transport kinetics, fully considering the penetration and distribution of anticancer agents in different layers of cancer cell spheroid. On this basis, the influential factors for transport kinetics of anticancer agents in 3D cell culture model will be analyzed from the view of transporters, enzymes and microenvironment. Finally, an integrated PK-PD model will be established, combining the pharmacodynamic results. This will provide new ideas and methodologies for evaluation, screening, optimization and prediction of new anticancer agents from the view of pharmacokinetics.

传统的体外细胞模型以单层细胞代替整体动物的实体组织，药物直接均匀作用于单层细胞，忽视了实体组织的立体结构、内部的异质性以及由此引起的药物在实体组织中的药代动力学行为差异，因此，基于单层细胞的药物评价由于缺乏药代动力学的支撑而造成评价偏差。事实上，药物只有在实体组织中经过转运过程，穿透到组织的每一层细胞并有效分布到细胞靶点，才能够充分发挥药理作用。因此体外细胞模型必须建立在高度模拟这一包含药代动力学过程的药效评价基础之上，才能通过体外实验预测体内结果。本项目拟建立体外培养的肿瘤三维细胞模型，以阿霉素和紫杉醇为不同机制的代表性抗肿瘤药物，针对其在肿瘤三维细胞不同层面的穿透、分布动力学行为，研究肿瘤三维细胞药物转运动力学规律及影响因素；结合药效动力学研究，建立PK-PD结合模型，将为抗肿瘤药物的评价、筛选、优化、预测提供一系列药物代谢动力学研究的技术思路、模型和方法。

传统的体外细胞模型以单层细胞代替整体动物的实体组织，药物直接均匀作用于单层细胞，忽视了实体组织的立体结构、内部的异质性以及由此引起的药物在实体组织中的药代动力学行为差异，因此，基于单层细胞的药物评价由于缺乏药代动力学的支撑而造成评价偏差。事实上，药物只有在实体组织中经过转运过程，穿透到组织的每一层细胞并有效分布到细胞靶点，才能够充分发挥药理作用。因此体外细胞模型必须建立在高度模拟这一包含药代动力学过程的药效评价基础之上，才能通过体外实验预测体内结果。该研究思路已发表在国际期刊Expert Opin Drug Deliv. 2015;12(2):263-81。. 通过本项目研究：（1）建立了具有普适性的肿瘤3D多层细胞培养模型，并且针对乳腺癌MCF-7细胞优化了3D多层细胞模型，完成了模型各项生理生化指标的考察验证。（2）在此基础上，分析了抗肿瘤药物阿霉素在3D多层细胞上的转运动力学，并且与普通2D细胞的转运动力学进行了比较研究；构建了转运动力学数学模型，通过拟合计算动力学参数，量化了比较研究的结果；进一步通过荷瘤鼠在体动物模型对体外结果进行了验证。（3）在上述研究的基础上，筛选出了中药活性单体成份人参皂苷Rh2，能够很好的改善阿霉素的“跨多层细胞穿透”和“在不同层面的细胞内分布”的特性。（4）深入开展了影响抗肿瘤药物转运动力学的影响因素及分子机制研究，通过分子生物学及代谢组学相结合的研究手段，发现了内源性代谢紊乱以及Chk2/p53/NF-κB通路的过度激活能够诱导外排蛋白P-gp过度表达，最终影响抗肿瘤药物的转运动力学。相关研究内容发表在Biochem Pharmacol. 2015;93(2):210-20；Br J Pharmacol 2015;172(23):5690-703；Sci Rep. 2015;5:13558；PLoS One. 2014;9(9):e107072；Eur J Pharmacol. 2014,5;740:277-84，同时申请专利4项，培养研究生3名。基于本项目的研究成果和基础，进一步开展了3D球体细胞模型以及肿瘤微环境对药物代谢处置的影响及分子机制研究，获得国家自然科学基金面上项目资助。