2022-07-31

Science | 纳米药物递送通道的高通量筛选

原创 存在一棵树 图灵基因 2022-07-31 10:10 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

撰文：存在一棵树

IF= 63.714

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亮点：

开发了一种高通量筛选方法NanoPRISM，揭示了 35 种不同纳米颗粒类型与数百种癌细胞系之间的相互作用，并可通过机器学习算法确定纳米颗粒特异性生物标志物SLC46A3。

2022年7月21日麻省理工学院科赫综合癌症研究所的Paula T. Hammond教授及其团队在《Science》上发表了“Massively parallel pooled screening reveals genomic determinants of nanoparticle delivery” 的文章。该团队开发了高通量筛选方法NanoPRISM ，揭示纳米颗粒制剂材料特性与细胞内化之间的相互关系。

越来越多的纳米颗粒（nanoparticle, NP）被检测认为可用于临床的疾病治疗，基于其可降低毒性、延长半衰期以及改善药物递送等优势，目前一些NP制剂已用于癌症治疗。但面对具有不同的物理和生物学特性，种类繁多的纳米颗粒制剂，对于其在何种疾病环境中可发挥其最大优势还尚不明了。而在精准医学时代，为将靶向制剂递送至其目标亚细胞区室，探索纳米颗粒与细胞和生物异质性相关的结构-功能关系至关重要。

本团队开发的高通量筛选方法，NanoPRISM 技术，使用混合物中的同时分析相对抑制(PRISM)方法来生成约 500 个癌细胞系的筛选库。这些细胞系带有不同的DNA序列，允许通过高通量基因组测序识别细胞。如图1所示，该细胞库与35种不同荧光标记的NPs 组合，根据这些NPs不同的核心成分、表面化学性质和直径来识别细胞摄取的协同相互作用；PRISM标记的细胞根据摄取水平分为四组，对其DNA进行测序，识别并筛选因NP 特征或细胞信号传导的NP 内化的关键驱动因素。

该团队应用来自CCLE（Cancer Cell Line Encyclopedia）的数据来识别作为NP-细胞关联的预测生物标志物的基因组特征。发现NanoPRISM 揭示了靶向表皮生长因子受体(EGFR) 的抗体偶联的 NPs 和过表达该受体的细胞系中单独的EGFR抗体细胞摄取效率的差异，其可能是由于NP共轭的空间位阻导致，表明NanoPRISM 可能还适用于评估抗体-药物偶联物 (ADC)。随后，通过使用随机森林算法识别预测性生物标志物，并通过特征集注释：基因表达、基因拷贝数和蛋白质丰度。

通过评估 NP 制剂的单变量结果，该团队确定了一种与脂质体 NP 关联具有强烈反比关系的生物标志物：溶质载体家族46成员 3 ( SLC46A3 ) 的表达。发现SLC46A3 的天然表达可预测脂质体制剂的 NP与细胞之间的相互作用。如图2所示，选用天然高表达的乳腺癌细胞系T47D，发现敲低该细胞SLC46A3的表达可增加其与脂质体NP制剂之间的相互作用，即在癌细胞中单独调节 SLC46A3 足以负调节脂质体 NPs 的结合和摄取。

为确定NP在癌细胞亚细胞结构中的定位，这里使用细胞高分辨成像术以高通量方式表征NP 定位。如图3所示，展示了四种具有代表性的制剂的细胞内摄取与SLC46A3 表达的关系，三种脂质体 NP 以及一种具有相同外层 (PLD) 的 PLGA NP 制剂；发现SLC46A3的表达负调控脂质体和固体脂质NP 的细胞摄取，而缺乏脂质的聚合物NP不受其影响。

为了评估 SLC46A3 作为脂质体 NP 递送负调节剂的潜在临床效用，该团队测试了美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的 NP 类似物的体内递送。发现肿瘤中SLC46A3 的基线表达可能会影响生理环境中的NP递送。

综上所述，本文开发并验证了一个用于识别 NP 与癌细胞相互作用的预测性生物标志物的方法，NanoPRISM ，其代表了对 NP 内化的不太严格和定性研究的重大进步。检查单个细胞系中一些NP特性的研究无法捕捉到 NP 细胞进入的复杂性；结合机器学习和迭代模拟和材料合成方法，NanoPRISM 可以筛选靶向特定细胞类型的纳米材料，类似于当前的多肽筛选方法，或可通过适体发现的指数富集 (SELEX) 方法进行配体的系统进化。

教授介绍

Paula T. Hammond，目前担任麻省理工学院化学工程系研究所教授和负责人。1984年本科毕业于麻省理工学院；1988年获得佐治亚理工学院硕士学位；1993年博士毕业于麻省理工学院。其实验室使用静电学以及聚合物的定向和自组装来创建药物输送系统，该系统通过多种模式传达高度的空间和时间控制以及目标细胞，由此开发了能够为卵巢癌以及顽固的乳腺癌，肺癌和脑癌提供联合疗法的纳米颗粒。其研究目的是将工程和材料设计工具有意义地应用于癌症治疗。

参考文献

Boehnke, Natalie et al. “Massively parallel pooled screening reveals genomic determinants of nanoparticle delivery.” Science (New York, N.Y.) vol. 377,6604 (2022): eabm5551.