Посещений:
СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ НА ОСНОВЕ НАНО-ЧАСТИЦ



Терапия раковых опухолей

Recent advances in targeted gene silencing and cancer therapy by nanoparticle-based delivery systems
Hongyan Liu, Xialin Zhu, Yuyan Wei et al.
Biomedicine & Pharmacotherapy Volume 157, January 2023, 114065

Nanomedicine has emerged as a promising platform for disease treatment and much progress has been achieved in the clinical translation for cancer treatment. Several types of nanomedicines have been approved for therapeutic application. However, many nanoparticles still suffer from challenges in the translation from bench to bedside. Currently, nanoparticle-based delivery systems have been developed to explore their functions in targeted gene silencing and cancer therapy. This review describes the research progress of different nano-carriers in targeted gene editing, and the recent progress in co-delivery of anticancer drugs and small ribonucleic acid. We also summarize the strategies for improving the specificity of carrier systems. Finally, we discuss the functions of targeted nano-carriers in overcoming chemotherapeutic drug resistance in cancer therapy. As research continues to advance, a better understanding of the safety including long-term toxicity, immunogenicity, and body metabolism may impel nanoparticle translation.


Злокачественные опухоли возникают из нормальных клеток. В возникновении и развитии опухолей участвует множество факторов риска, включая внешние факторы окружающей среды, хронические заболевания, нездоровые пищевые привычки, длительный стресс и генетические факторы. В частности, определенные генетические мутации, вызванные наследственностью или внешними факторами, способствуют возникновению и развитию опухолей. Усилия по секвенированию геномов раковых клеток человека значительно способствовали скринингу генов, связанных с опухолями, а инновации биотехнологий, особенно технологии редактирования генов, вносят значительный вклад в изучение функций онкогенов. Полученные от пациентов линии опухолевых клеток и модели животных позволяют выявить причинно-следственные связи между генетическими изменениями и фенотипическими последствиями рака. Углубленное изучение патогенеза опухолей способствовало разработке противораковых препаратов и новых стратегий лечения.
Нано-препараты открывают новые возможности для лечения различных заболеваний, особенно для лечения опухолей, и поэтому имеют большие перспективы применения. Как важная новая технология и исследовательская платформа, нано-носители не только представляют собой эффективную стратегию доставки РНК или лекарств, но и дают возможность достичь точного нацеливания на опухоли, а также преодолеть побочные эффекты традиционных лекарств из-за неспецифического нацеливания. Хотя за последние десятилетия был достигнут большой прогресс в исследованиях нано-медицины, существует очень мало нано-препаратов, пригодных для клинического применения. Основной проблемой клинического применения нано-препаратов является сложность оценки безопасности in vivo. Другая проблема заключается в том, можно ли контролировать эти нано-препараты в естественных условиях. В данном разделе мы представляем обзор результатов исследований различных нано-носителей в области направленного редактирования генов, а также последних достижений в области совместной доставки противораковых препаратов и интерферирующих РНК для целенаправленной терапии.
2. Targeted gene silencing by nano-delivery systems


Малые интерферирующие РНК (siRNA), состоящие примерно из 21-23 нуклеотидов, могут вызывать специфическое разрезание молекул мРНК, что приводит к их последующей деградации, и поэтому они широко используются для подавления или понижения экспрессии генов в биологических исследованиях. Терапевтическое подавление мишеней с помощью siRNA достигло большого прогресса, однако в этой области все еще остается много сложных проблем. Успешное применение этой стратегии для лечения пациентов зависит от получения безопасного и эффективного эффекта нокдауна генов в опухоли. В большом количестве исследований предпринимались попытки разработать наночастицы для доставки специфических siRNA в раковые клетки, при этом многие из этих исследований достигли сильного подавления генов и высокой противораковой активности. Эти системы доставки наночастиц, нацеленные на опухоль, включают липидные наночастицы, металлические наночастицы, наночастицы кремния, хитозановые наночастицы и полимерные гибридные наночастицы.

2.1. Lipid nanoparticles


Как эффективный носитель для переноса генов, липосома получила самое раннее внимание. Ее преимущества заключаются в том, что она проста в изготовлении, может переносить генные фрагменты различных размеров и относительно безвредна для человеческого организма. Однако обычные липосомы имеют такие недостатки, как низкая трансфекция и низкая эффективность целенаправленного воздействие. Для решения этих проблем были разработаны различные новые целевые липидные нано-носители.
Целевые липидные наночастицы siRNA предоставили методы достижения высокой эффективности загрузки для регулирования экспрессии онкогенов и повышения эффективности генотерапии. Многофункциональный рН-чувствительный липид ECO был разработан для цитозольной доставки терапевтической siRNA для регулирования экспрессии эукариотического фактора инициации трансляции 4E (eIF4E) Gujrati et al. [1]. Многочисленные исследования показали, что eIF4E действует как прото-онкоген, и его избыточная экспрессия или активация связана с трансформацией и опухоле-образованием. Он избыточно экспрессируется в клетках MDA-MB-231, устойчивых к paclitaxel (PTX). Обработка наночастицами RGD-PEG(HZ)-ECO/sieIF4E может снизить экспрессию eIF4E как в клетках MDA-MB-231, устойчивых к PTX, так и у мышей nude, которым вводили ортотопические клетки MDA-MB-231, устойчивые к PTX. Более того, лечение наночастицами RGD-PEG(HZ)-ECO/sieIF4E повторно сенсибилизировало лекарственно-устойчивые клетки MDA-MB-231 к цитотоксическому действию PTX и значительно подавляло рост опухоли [1]. Поскольку tumor-associated macrophages (TAMs) способствуют прогрессированию и росту опухоли, они представляют собой идеальные мишени для воздействия. Некоторые исследователи пытаются воздействовать на ТАМ путем подавления генов, связанных с М2, с помощью векторов или частиц, нагруженных siRNA. Например, в одном из исследований сообщалось о пользе липидных наночастиц (LNPs) с siRNA для манипулирования с ТАМ посредством подавления signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) и hypoxia inducible factor 1 α (HIF-1α) [2]. Результаты показали, что CL4H6-LNP, рН-чувствительный катионный липид, успешно используется для нацеливания и доставки siRNA в TAMs. Для манипулирования функцией siSTAT3/siHIF-1α-нагруженных CL4H6-LNP, авторы использовали их для инъекций OS-RC-2-мышам. По сравнению с группой, обработанной PBS, лечение siSTAT3/siHIF-1α-нагруженными CL4H6-LNPs значительно снизило уровень STAT3 и HIF-1α, которые были снижены на 37% и 48%, соответственно. Такое лечение привело к значительному увеличению доли макрофагов M1 (CD169+ клеток) в опухолевом микроокружении (TME), что позволяет предположить, что глушение STAT3 и HIF-1α в TAMs привело к тенденции их поляризации в пользу фенотипа M1, что вызвало значительный противоопухолевый терапевтический ответ. Eph-рецептор A2 (EphA2) изучается уже много лет, и накопленные данные свидетельствуют о решающей роли EphA2 в инвазии, метастазировании, выживании и ангиогенезе опухолей [3], [4]. Чтобы изучить, является ли EphA2 потенциальной терапевтической мишенью для лечения прогрессирующего рака с высоким уровнем экспрессии EphA2, Oner et al. использовали катионные твердые липидные наночастицы и комплекс siRNA для доставки EphA2 siRNA в клеточные линии рака простаты DU145 и PC3 [5].
DDAB-cSLN/siEphA2 может подавить экспрессию EphA2 в клетках PC3, однако авторы не наблюдали никакого влияния в виде подавления EphA2 на клеточные функции, включая жизнеспособность клеток, миграцию и клон-образование PC-3. Поэтому, даже если siRNA могут успешно подавлять экспрессию онкогена, нельзя сделать вывод, что они могут подавлять злокачественную функцию раковых клеток.
Хотя подходы на основе RNAi использовались для снижения экспрессии генов при широком спектре заболеваний, включая рак, некоторые типы клеток трудно трансфицировать достаточным количеством siRNA для эффективного подавления генов-мишеней. Например, гемопоэтические клетки обычно трудно трансфицировать с помощью siRNAs, с помощью традиционных методов трансфекции. Ramishetti et al. [6] разработали целевые липидные наночастицы для доставки siRNA в мышиные CD4+ T-клетки. Для доставки siRNAs именно в CD4+ Т-лимфоциты липидные наночастицы были поверхностно функционализированы анти-CD4 моноклональными антителами. siRNA также использовалась для нокдауна маркера лейкоцитов - тирозинфосфатазы CD45. Результаты показали, что эта система может эффективно подавлять CD45 в CD4+ Т-клетках крови, селезенки, костного мозга и паховых лимфатических узлов. Недавние исследования показали эффективность использования нано-носителей на основе липидов для эффективной доставки siRNA через гематоэнцефалический барьер [7-9]. Фосфатидилхолин использовался в качестве носителя для доставки siRNA TWF1 (twinfilin 1) и паклитаксела в клетки рака молочной железы, устойчивых к лекарствам [7]. Кроме того, пептид BRBP1 был использован для модификации этих липосомальных носителей. Визуализация флуоресценции в ближней инфракрасной области (NIRF) в моделях метастатических опухолей головного мозга рака молочной железы показала, что сильные сигналы NIRF были обнаружены в группе с использованием BRBP1/PEG/DiR/Lp-терапии. BRBP1/TWF1 siRNA/PTX/Lp могли эффективно снизить образование метастатических поражений и показали значительную противоопухолевую активность как in vitro, так и in vivo.
Как эффективный инструмент редактирования генома, CRISPR/Cas9 используется для манипулирования с генами мишенями. В последних исследованиях был разработан комплекс Cas9:sgRNA в сочетании с системой доставки на основе липидов для улучшения доставки белка, редактирующего геном, для лечения целевых заболеваний и редактирования генома [10], [11]. Tang et al. разработали конъюгированную с фенилбороновой кислотой липидную наночастицу PBA-BADP для доставки CRISPR/Cas9 в раковые клетки для селективного редактирования генома. Они сообщили, что клетки GFP-HeLa, обработанные наночастицами PBA-BADP/Cas9 мРНК/sg GFP, показали эффективность нокаута GFP до 50%. Более того, наночастицы PBA-BADP/Cas9 mRNA/sgHPV18 E6 вызывали 18,7% indels гена HPV18 E6 и снижение жизнеспособности клеток на 50% [11]. В другом исследовании сообщалось о липидной анионной доставке Cas9:sgRNA для редактирования генома путем нацеливания на геномный репортерный ген EGFP в клетках HEK. Они обнаружили, что эффективная доставка Cas9:sgRNA с помощью липидов вызывает гибель EGFP-позитивных клеток с эффективностью от 50% до 70% [12]. Эти результаты свидетельствуют об эффективном Cas9-опосредованном редактировании генов с использованием липидов в качестве платформы доставки.
В целом, липидные наночастицы являются одним из основных классов систем доставки генов в противоопухолевых нано-препаратах, а липидные нано-препараты - одним из наиболее успешных классов нано-препаратов в клинической трансляции. В настоящее время четыре различных липосомно-инкапсулированных препарата доксорубицина, Doxil®, Myocet®, Lipodox®, и липосомальный доксорубицин используются в клиническом лечении метастатического рака молочной железы и других опухолей [13], [14] во многих странах, включая Китай. Кроме того, многие другие липидные нанопрепараты находятся в стадии клинических испытаний. Ожидается, что благодаря углубленным исследованиям в ближайшем будущем в клинике будут использоваться гораздо более безопасные и эффективные липидные нано-препараты.

2.2. Metal nanoparticles


Металлические наночастицы как невирусные генные векторы были использованы для разработки средств доставки. По сравнению с традиционными векторами металлические наночастицы имеют ряд преимуществ, таких как настраиваемые размеры, уникальные свойства поверхности и способность преобразовывать оптическую энергию в тепловую. Поскольку размер и свойства поверхности можно легко изменять, золотые наночастицы (Au-NPs) вызвали большой интерес для генотерапии. Многофункциональные олигонуклеотид-модифицированные Au-NPs были разработаны для адресной доставки siPlk1 для подавления экспрессии polo-like kinase-1 (PLK1) в раковых клетках [15]. Чтобы контролировать высвобождение siRNAs в клетках-мишенях, ядро Au-NP упаковывается само-собирающимся слоем стоячей ДНК (комплементарной эндогенной миРНК), инкапсулированной siRNAs, а затем на внешнюю поверхность Au-NP наносятся аптамеры, инкорпорированные Y-образной основой - ригидными треугольными кирпичиками ДНК. Благодаря взаимодействию аптамер-рецептор эти наноструктуры могут проникать в раковые клетки-мишени без использования трансфекционных реагентов. Кроме того, нити ДНК преимущественно гибридизуются с клеточными миРНК, а инкапсулированные siRNA высвобождаются из наночастиц в нуклеоплазму после вытеснения нитей эндогенными миРНК. Этот вид наночастиц siPlk1 показал более длительное время циркуляции в крови, способность целенаправленно воздействовать на опухоль и контролируемое высвобождение siRNA в соответствии с эндогенными миРНК. Наночастицы siPlk1 значительно подавляли пролиферацию клеток MCF-7, вызывали апоптоз клеток и полностью подавляли рост опухоли у иммунодефицитных мышей с ксенотрансплантатом опухоли A549 [15]. Параметры металлических наночастиц, включая размер, форму и химический состав поверхности, влияют на характер поглощения. Недавно сообщалось, что Au-NPs с размерами ~14, ~26 и ~42 нм, конъюгированные с анти-Bcl-2 DNAi нано-системами доставки, доставляются в клетки MCF-7, а 42 нм Au-NPs показали самую высокую скорость интернализации в клетки среди этих NPs [16]. Обработка клеток MCF-7 42 нм конъюгированными с DNAi Au-NPs вызвала эффективное подавление генов и привела к 76,21% апоптотических клеток рака молочной железы. Частицы золотых нано-стержней также были исследованы для доставки лекарств благодаря их особым свойствам, особенно большому отношению поверхности к объему и способности к фототермическому преобразованию. Золотые нано-стержни могут передавать тепло с поверхности в окружающую клеточную среду, которая очень локализована, что минимизирует негативное воздействие на нормальные клетки [17], [18]. Для повышения противоопухолевой эффективности комбинация агентов siRNA с фототермической терапией была использована для лечения клеток рака простаты [17]. Золотые нано-стержни (GNR), модифицированные Zn(II)-DPA (дипиколил-амин), выступали в качестве носителей siPLK, образуя наночастицы, названные siPLK/Zn(II)DPA-GNRs. Эти частицы подавляли PLK1 и снижали жизнеспособность раковых клеток дозово-зависимым образом. Более того, siPLK/ZD-GNRs с лазером привели к значительной противоопухолевой активности как в клетках PC-3, так и у мышей, несущих опухоль PC-3.
Наночастицы на основе оксида железа (NP)-нано-препараты RNAi были разработаны для лечения рака. Например, наночастицы на основе оксида железа доставляют siRNA в MCT4 при раке простаты [19], наночастицы на основе оксида железа, покрытые сополимером хитозана и полиэтиленимина (PEI), опосредованно доставляют siRNA против человеческого рецептора глипикан-3 (GPC3) при гепатоцеллюлярной карциноме [20], а наночастицы на основе оксида железа в сочетании с siRNA были нацелены на серин-треонин-киназу PLK1, специфичную для клеточного цикла, при раке поджелудочной железы [21]. Liu et al. разработали вид NPs малого размера (~14,6 нм), которые были покрыты липидом-PEG, а siRNA была просто загружена на поверхность NPs [19]. Этот тип NPs мог быть разложен при кислых pH, и, следовательно, высвободить ионы железа и siRNA. Высвобожденные ионы железа реагировали с H2O2, образуя высокореактивный и токсичный oOH, и таким образом вызывали гибель клеток. Клетки рака простаты PC3 характеризовались высокой продукцией ROS и экспрессией MCT4. Обработка PC3 siMCT4-NPs вызвала подавление MCT4 и снижение пролиферации клеток. Эксперименты in vivo подтвердили противоопухолевое действие siMCT4-NPs, помимо ингибирования роста опухоли, они также демонстрируют длительную циркуляцию в крови. С развитием нанотехнологий были разработаны многофункциональные NPs на основе оксида железа. Эти нано-кластеры продемонстрировали улучшенные свойства эффективности доставки, а также способность к визуализации in vivo.
Существуют также некоторые другие металлические наночастицы, используемые для доставки лекарств или RNAi. Например, в предыдущих исследованиях сообщалось о разработке носителя РНК на основе аналога Zn-dipicolylamine (Zn-DPA) [22] и синтезе нано-носителя олигонуклеотидов на основе флуоресцентного серебряного нано-кластера [23]. Недавнее исследование показало, что полупроводниковые наночастицы сульфида меди (CuS NPs) доставляют рибонуклеопротеин Cas9, нацеленный на белок тирозинфосфатазы не-рецепторного типа 2 (PTPN2) [24]. Для получения нано-терапевтической платформы CuS-RNP@PEI на основе CuS, тиол-модифицированные фрагменты ДНК конъюгировались с CuS NPs, затем Cas9 RNP собирался с CuS NPs по принципу комплементарной пары оснований. Наконец, CuS NPs смешивались с катионным полимером PEI. Результаты показали, что наночастицы CuS-RNP@PEI приводят к делеции PTPN2 и могут повысить эффективность иммунотерапии. Кроме того, они продемонстрировали большой потенциал для синергетической фототермической иммунотерапии рака in vivo [24]. Несмотря на большие перспективы этих металлических наночастиц, в настоящее время все еще существует много трудностей в клиническом применении металлических нано-носителей для доставки лекарств. Для безопасного использования металлических нано-носителей необходимо уделять больше внимания реальному целенаправленному действию, долгосрочной токсичности, иммуногенности и метаболизму в организме.

2.3. Silica nanoparticles


Обладая многочисленными преимуществами, включая большую удельную поверхность, равномерный и контролируемый размер частиц, хорошую биосовместимость и биоразлагаемость, наночастицы мезопористого кремнезема (MSN) широко используются в качестве носителей лекарств. Свойство поверхности оказывает глубокое влияние на загрузочную способность MSN. Для достижения высокой загрузочной способности лекарств во многих исследованиях изучалась функционализация поверхности MSN [25-27]. Shen et al. синтезировали циклодекстрин-привитые полиэтиленимином (CP) функционализированные наночастицы мезопористого кремнезема [28]. Частицы могли захватывать доксорубицин в гидрофобные полости циклодекстрина, а высокая плотность положительного заряда CP поддерживала загрузку PKM2 siRNA за счет электростатических взаимодействий. Сформированные наночастицы CP-MSNP@DOX/siRNA обладали высокой загрузочной способностью для доксорубицина (DOX) и PKM2 siRNA, а комбинация DOX и PKM2 siRNA более значительно ингибировала рост опухоли, чем только DOX в ортотопической модели рака молочной железы MDA-MB-231. О совместной доставке химиотерапевтических препаратов и siRNA для повышения эффективности лечения рака с помощью наночастиц мезопористого кремнезема сообщалось и в других исследованиях [29], [30]. Свойства поверхности также влияют на стабильность NPs. Например, модификация аптамера на поверхности полых наночастиц мезопористого кремнезема эффективно повышала их стабильность, помогая избежать агрегации и преципитации [31]. Этот нано-комплекс обеспечивал сверхвысокую загрузку sorafenib и CRISPR/Cas9, нацеленных на EGFR, и, следовательно, приводил к эффективной генотерапии EGFR и вызывал значительное ингибирование опухоли в мышиной модели гепатоцеллюлярной карциномы (HCC). В целом, эти исследования показывают, что модифицированные MSN представляют собой перспективные нано-системы для эффективной доставки генно-лекарственных комплексов для синергического подавления развития рака.
Фузогенные пористые кремниевые наночастицы (F-pSiNPs) недавно продемонстрировали высокую эффективность подавления генов [32], [33]. Подробный протокол синтеза F-pSiNPs был представлен Kim и Sailor [34]. Кроме того, недавнее исследование показало, что совместная доставка Dox и siRNA, нацеленных на белок MRP1, с помощью pSiNPs может повысить эффективность противопухолевой терапии рака простаты [35]. Исследуя эффективность и действенность этого нового нано-носителя, авторы обнаружили, что он приводит к эффективному подавлению гена MRP1, а пониженная регуляция MRP1 вызывает более сильную цитотоксичность клеток по сравнению со свободным Dox. Аналогичным образом, жизнеспособность клеток была сильно снижена с помощью pSiNPs, нагруженными как Dox, так и siRNA, в трехмерной модели сфероидов рака простаты. В целом, система pSiNP является еще одной нано-платформой для генотерапии при лечении рака.

2.4. Chitosan nanoparticles and chitosan derivative nanoparticles


Наночастицы Chitosan обладают превосходной биосовместимостью, биоразлагаемостью, низкой токсичностью и демонстрируют способность продлевать время удержания лекарства и улучшать стабильность и использование препарата [36-40]. В последние годы хитозановые наночастицы или наночастицы, производные хитозана, были разработаны для адресной доставки специфических siRNA или лекарств в раковые клетки [41-45]. P-гликопротеин (Pgp) - это АТФ-зависимый насос для выведения лекарств, участвующий в множественной лекарственной устойчивости [46], [47]. Поли-siRNA для подавления Pgp (psi-Pgp) была изучена для преодоления лекарственной устойчивости рака [43]. Для достижения эффективной доставки siRNA в опухоль, тиол-модифицированный psi-Pgp был инкапсулирован в тиол-модифицированные гликоль-хитозановые нано-частицы. Такие psi-Pgp-гликоль-хитозановые NPs повышали чувствительность к DOX в раковых клетках MDR при нокдауне гена MDR-1, а совместное лечение с DOX значительно усиливало противораковую активность DOX у мышей-носителей опухолей MCF-7/ADR. Эта группа также подготовила систему доставки siRNA с двойной генной направленностью с использованием наночастиц гликоль-хитозана [44]. Они разработали две различные последовательности siRNA для воздействия на фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и B-клеточную лимфому2 (Bcl-2). Двойная система доставки NPs показала синхронное подавление VEGF и Bcl-2 и эффективное ингибирование роста опухоли за счет одновременного эффекта анти-ангиогенеза и апоптоза клеток у мышей с опухолью PC-3. Совместная терапия является эффективным подходом для достижения более эффективного ингибирования опухоли и более низких доз противораковых препаратов по сравнению с одиночной терапией. В одном из исследований изучалось действие siRNA, нацеленной на Mad2, в комбинации с химиотерапевтическим препаратом цисплатином, и было установлено, что комбинированное лечение привело к повышению терапевтической эффективности за счет преодоления резистентности к химиопрепаратам при немелкоклеточном раке легкого (NCSLC) [48]. В этом исследовании для доставки siMad2 использовалась хитозановая система, нацеленная на рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), и нацеленная доставка показала эффективное и улучшенное ингибирование роста опухоли по сравнению с ненацеленным лечением, когда siMad2 инкапсулировался в PEGилированный хитозан. В заключение следует отметить, что химические модификации или добавление различных групп в основу хитозана позволяют повысить эффективность доставки и клеточную специфичность.

2.5. Other polymeric nanoparticles


Для доставки siRNA и лекарств использовались как синтетические, так и природные полимеры. Помимо хитозана, другие широко используемые полимеры включают PEG, PEI и декстран. Как и хитозановые наночастицы, другие наноносители на основе полимеров также обладают многочисленными преимуществами для доставки siRNA in vivo, такими как биосовместимость, биоразлагаемость, неиммуногенность и контролируемое высвобождение. В обзорной статье обобщены распространенные биоразлагаемые полимеры для доставки siRNA [49]. Полимеры, полученные из природных ресурсов, все еще нуждаются в более тщательном изучении. Их особые свойства делают их идеальными кандидатами для доставки вакцин, лекарств и целевых антибиотиков при генотерапии, лечении рака и тканевой инженерии [50]. Будучи белковым полимером природного происхождения, silk fibroin (SF) является отличным кандидатом для доставки лекарств. Системы доставки лекарств на основе наночастиц SF были рассмотрены Mottaghitalab et al. [51]. Модифицированные PEI наночастицы шелкового фиброина (SFNPs) были использованы для совместной доставки DOX и siRNA сурвивина Norouzi et al. [52]. PEI-SFNPs эффективно индуцировали апоптоз в линии опухолевых клеток мыши 4T1 и значительно снизили скорость роста опухоли молочной железы у мышей с опухолью 4T1 за счет значительного подавления гена survivin. Декстран является гетерогенным полисахаридом и представляет собой полимер на основе углеводов. Было доказано, что наночастица декстран-спермин, конъюгированная с трансферрином, может быть направлена на мозг для доставки лекарств через гематоэнцефалический барьер (BBB) [53]. Катионизированные нано-частицы декстран-ДНК, включенные в 3D-биоматериалы, могут усилить экспрессию ДНК in vitro в мезенхимных стволовых клетках во время регенерации тканей [54]. Однако еще предстоит приложить усилия для преодоления проблемы токсичности путем соответствующей модификации этих полимеров [55]. (Таблица 1).

Table 1. Example of Different Nanoparticles for KRAS Gene Silencing in Cancer Therapy.

3. Specific delivery and drug-resistance overcoming


3.1. Specific delivery to target cells


Нацеливание siRNA привело к более эффективной терапии рака; однако успешное применение этой стратегии зависит от безопасной, эффективной и высокоспецифичной системы носителя для доставки siRNA в опухоль. Много усилий было приложено для создания носителей для доставки siRNA, таких как наночастицы, конъюгированные с аптамерами [67-70], соединенные с пептидом [21], [71] или слитые с антителом [6]. Аптамеры нуклеиновых кислот могут специфически связываться с молекулами-мишенями и таким образом помогают улучшить способность к целенаправленному действию носителя доставки. Одним из примеров является РНК-аптамер HER2, который может специфически воздействовать на клетки рака молочной железы, экспрессирующие HER2 [72], [73]. Когда аптамеры HER2 были собраны в наночастицу с трехсторонним соединением (3-WJ)-pRNA, созданная наночастица pRNA-HER2apt-siMED1 могла специфически доставлять siRNA субъединицы медиатора 1 (MED1) к клеткам HER2-экспрессирующего рака молочной железы человека [67]. Хорошо известно, что избыточная экспрессия HER2 является одним из основных механизмов, связанных с резистентностью к тамоксифену за счет усиления функций ER [74], [75], а коактиватор ER MED1 играет критическую роль в резистентности к тамоксифену через взаимодействие с HER2 [76]. Так, наночастицы pRNA-HER2apt-siMED1 не только снижали экспрессию MED1, подавляли рост клеток и метастазирование, но и преодолевали резистентность к тамоксифену в HER2-экспрессирующих ERα-положительных клетках рака молочной железы [67]. В дополнение к разработке наночастиц с аптамерами для прямого взаимодействия с раковыми клетками, пептиды также могут быть собраны для модуляции носителя с целью повышения специфичности доставки. Например, пептиды фолликулостимулирующего гормона (FSH) на поверхности сополимера PEG-PEI избирательно доставляют shRNA в клетки рака яичников, экспрессирующие рецептор FSH, чтобы заглушить целевой ген - онкоген, регулирующий рост (gro-α) [71]. Использование моноклональных антител против мишени значительно улучшило селективность и эффективность системы доставки. Недавнее исследование показало специфическое связывание липидной наночастицы с CD4+ Т-клетками с помощью моноклонального антитела против рецептора CD4 на поверхности Т-клеток [6]. Более того, эти LNPs, покрытые анти-CD4mAb, могли эффективно доставлять siRNA к CD4+ Т-клеткам и подавлять маркер лейкоцитов CD45. Многочисленные лиганды, нацеленные на специфические для опухолевых клеток рецепторы, были конъюгированы на поверхности наночастиц для избирательного воздействия на опухолевые ткани. Например, конъюгация с фолиевой кислотой увеличила цитотоксичность наночастиц для клеточных линий MCF-7 и 4T1, экспрессирующих фолатный рецептор [77]. В совокупности эти исследования показывают, что платформа для адресной доставки генов может быть сконструирована путем загрузки таргетных агентов, включая аптамеры, антитела или пептиды, которые распознают антигены клеточной поверхности или специфические нуклеиновые кислоты, экспрессия которых ограничена или обогащена в опухолевых клетках (рис. 1).



Fig. 1. Modification approaches to enhance the delivery specificity of nanoparticles to target cancer cells. Nanoparticles can be developed with aptamers, peptides, antibodies or ligands for direct interaction with cancer cells.

3.2. Overcoming drug resistance with targeted functional nano-carrier


Несмотря на активные усилия по разработке новых методов лечения, химиотерапия по-прежнему является одним из первых вариантов лечения рака. К сожалению, в процессе сопутствующего лечения пациенты часто становятся устойчивыми к химиотерапевтическим препаратам из-за врожденной и приобретенной химиорезистентности. Таким образом, лекарственная устойчивость является основным препятствием для успешного лечения рака. В последние годы широко изучаются новые терапевтические подходы для преодоления химиорезистентности и улучшения результатов лечения. Генетическая модификация ключевых онкогенов может обратить вспять развитие лекарственной устойчивости, например, ингибирование экспрессии генов, связанных с лекарственной устойчивостью, с помощью РНК-интерференции эффективно улучшает эффект химиотерапии рака яичников [78], [79], рака шейки матки [80] и NSCLC [81]. В предыдущем исследовании дендример G6 с TEA-ядром PAMAM был использован в качестве вектора для доставки Akt siRNA в химиорезистентные клетки рака яичников, что привело к эффективному ингибированию клеточной пролиферации. Совместное использование Akt siRNA/G6 с paclitaxel значительно подавляло рост клеток SKOV-3, а нокдаун Akt усиливал индуцированный paclitaxel апоптоз, по сравнению с лечением дендриплексами Akt siRNA или paclitaxel только [78]. В другом исследовании была разработана меченная гиалуроновой кислотой поли(d,L-лактид-со-гликолид) наночастица (HA-PLGA-NP) для доставки paclitaxel (PTX) и siRNA киназы фокальной адгезии (FAK) в химиорезистентные эпителиальные клетки рака яичников и в ксенотрансплантат человеческого яичника [79]. HA, как таргетный лиганд, может связываться с рецептором CD44, который избыточно экспрессируется при раке яичников. По сравнению с лечением HA-PLGA (PTX)-NPs без FAK siRNA, комбинация HA-PLGA (PTX)-NPs и FAK siRNA значительно увеличивала апоптоз клеток HeyA8-MDR и SKOV3-TR. Важно отметить, что лечение HA-PLGA (PTX+FAK siRNA)-NPs более эффективно подавляло рост опухоли PDX рака яичников, устойчивого к платине, по сравнению с PTX или нецелевыми PLGA-NPs [79]. Функциональная система доставки нано-препаратов была применена для борьбы с резистентностью к другим химиотерапевтическим препаратам, таким как цисплатин, доксорубицин и темозоломид. В таблице 2 мы обобщили последние достижения в сенсибилизации химиотерапевтических препаратов против рака с помощью нано-систем доставки лекарств.

Table 2. Examples of Studies Overcoming Chemoresistance via Co-delivering Chemotherapeutic Drug and siRNA by Nanoparticles.

4. Conclusions and prospect


В ходе многочисленных исследований были успешно подготовлены высокоэффективные наноносители для доставки в клетки малых не-кодирующих РНК, включая миРНК, siRNA и shRNA. Исследования in vitro и in vivo также продемонстрировали эффективную совместную доставку терапевтического препарата и малой не-кодирующей РНК в раковые клетки. Следовательно, целевой ген был эффективно подавлен, и рост опухоли заметно подавлен. Кроме того, адресная доставка химиотерапевтических препаратов в раковые клетки с помощью наночастиц может обеспечить высокую концентрацию лекарств в раковых клетках при снижении побочных эффектов. Что особенно важно, подходы на основе нано-носителей для совместной доставки химиопрепаратов и РНК имеют потенциал для преодоления лекарственной устойчивости. Интересно, что в последние годы были исследованы некоторые "умные" наночастицы, способные реагировать на внутренние или внешние стимулы. Было показано, что NPs, реагирующие на окислительно-восстановительные процессы, могут избирательно высвобождать противораковые препараты и терапевтические siRNA в целевых местах [85], [86]. Сообщалось, что многофункциональные NPs на основе сульфида меди (CuS) с фототермическим контролем способны высвобождать РНК Cas9 и DOX при облучении near-infrared (NIR) светом [87]. Кроме того, были синтезированы pH-чувствительные NPs для эффективной доставки лекарств в клетки или в опухолевые модели мышей [88-90]. В совокупности эти исследования показали, что чувствительные к стимулам нано-системы доставки лекарств представляют собой многообещающий новый терапевтический подход к лечению рака. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы перевести эти "умные" NPs из экспериментальной стадии в клинику.
Несмотря на большой прогресс, достигнутый в разработке NPs для генотерапии и доставки лекарств, необходимо преодолеть множество проблем. Металлические NPs широко исследуются благодаря их особым свойствам, включая высокую эффективность загрузки, однородность размеров и возможность визуализации. Однако потенциальная токсичность в значительной степени ограничивает их клиническое применение. Таким образом, создание материалов-носителей с приемлемой биобезопасностью, хорошей биосовместимостью, высокой загрузкой лекарства и длительной циркуляцией является сложной задачей. Материалы, полученные из природных клеточных мембран, заслуживают углубленного изучения для разработки системы адресной доставки, поскольку природные биопленки разлагаются, обладают низкой иммуногенностью, а их поверхность может быть модифицирована с помощью генной инженерии. Проблемы, с которыми сталкиваются существующие стратегии, могут быть решены путем целенаправленной модификации и трансформации нано-носителей биопленок. Нано-целевая терапия показала хороший терапевтический эффект в клеточных моделях или на подкожных ксенотрансплантатах мышиных моделей, но фармакологические эффекты редко исследуются в тканях человека. Таким образом, органоидные модели могут быть рассмотрены для использования в исследовании нано-таргетной терапии, чтобы обеспечить доклинические экспериментальные данные на животных и более надежные ссылки для клинического применения. В заключение следует отметить, что новые методы или методологии и доклинические модели будут способствовать более глубокому пониманию нано-препаратов против рака, что может ускорить переход нано-препаратов в клинику.