适配体在癌症诊断与靶向治疗中的研究进展

赵瑞瑞 白云峰 陈晓亮 冯锋 双少敏

引用本文: 赵瑞瑞, 白云峰, 陈晓亮, 冯锋, 双少敏. 适配体在癌症诊断与靶向治疗中的研究进展[J]. 化学通报, 2020, 83(11): 977-985. shu
Citation:  Zhao Ruirui, Bai Yunfeng, Chen Xiaoliang, Feng Feng, Shuang Shaomin. Research Progress of Aptamers in Cancer Diagnosis and Targeted Therapy[J]. Chemistry, 2020, 83(11): 977-985. shu

适配体在癌症诊断与靶向治疗中的研究进展

    通讯作者: 白云峰  男, 副教授, 主要从事生化分析研究, E-mail:baiyunfeng1130@126.com冯锋  男, 教授, 主要从生化分析研究, E-mail:feng-feng64@263.net双少敏  女, 教授, 主要从事超分子化学和化学与生物传感器研究, E-mail:smshuang@sxu.edu.cn
  • 基金项目:

    山西省自然科学基金项目(201801D121035,201901D211428)、山西省教育厅高等学校科技创新项目(2019L0735)、山西省高等学校科学研究优秀成果培育项目(2020KJ023)和山西省省筹资金资助回国留学人员科研项目(2020-133)资助

摘要: 核酸适配体是利用体外筛选技术,即指数富集的配体系统进化技术(SELEX),从核酸分子文库中得到的寡核苷酸片段。其与靶标物有很高的特异性和亲和力,将适配体作为识别单元的生物传感研究以及适配体偶联成像试剂的生物体内外成像研究在临床诊断中有很大的应用前景,此外,适配体靶向癌细胞或组织的治疗方法相比传统化学治疗副作用更小,在临床上也有极大的应用前景。本文综述了适配体目前在癌症诊断和靶向治疗两个方面的研究进展,并分析现阶段存在的问题以及面临的挑战。

English

  • 癌症严重威胁人类健康,是造成人类死亡的主要因素之一[1]。早期诊断和及时治疗对癌症的预后至关重要,会大大增加生存的机会。然而,目前的诊断技术包括成像、分子检测和免疫组织化学(Immunohistochemistry,IHC)等有其固有的局限性,可能提供不确定的结果[2]。目前最常见的治疗策略是内分泌治疗、化学治疗和使用抗体识别癌症生物标志物的靶向治疗;然而,它们会导致一些不良反应和药物耐受[3]。因此,需要不断开发新的有效的癌症诊断和治疗方法。

    适配体是单链DNA或RNA分子,对目标分子有很高的亲和力和特异性,可通过折叠成不同的二级或三级结构与目标分子结合[4]。适配体自发现以来引起了化学家们的广泛关注,被设计用于生物传感、靶标物成像以及药物递送等研究。与抗体相比,适配体具有如下优点:(1)适配体可以在体外针对特定的靶标物进行筛选,一旦筛选成功,可以进行大量合成,避免了抗体可能产生的毒性和免疫原性;(2)适配体分子量和空间尺寸小,更易渗透进入组织并到达靶标位点;(3)适配体具有核酸的热稳定性结构,可以可逆地转变构象;(4)适配体确定的DNA序列容易进行功能基团的化学修饰[5~7]。基于适配体的这些优异性能,下面就适配体在癌症诊断及靶向治疗两个方面的研究进行综述。

    随着指数富集的配体系统进化技术(SELEX)的不断发展,越来越多的能特异性识别目标物的适配体已经被筛选出来。这为肿瘤疾病的预防、诊断和治疗提供了更多、更好的方法。在疾病的检测中,适配体主要应用在适配体传感器以及体内外生物成像等方面。

    生物传感器因其方便快捷、灵敏度高、选择性好等优点,广泛应用于医学、疾病诊断、食品安全和环境等各个领域,这些应用已成为当前化学研究的热点。核酸适配体可与金属离子、小分子、蛋白质、活细胞、病毒、细菌等不同靶点结合[8~11],具有较高的亲和力和特异性。此外,与抗体相比,适配体具有许多独特的优点,是开发生物传感器的理想分子识别单元,对多种靶标的检测具有广阔的应用前景。本课题组以痕量蛋白质、生物小分子、重金属离子等多种检测目标物为靶标,利用功能核酸等生物分子作为识别原件,综合运用表面等离子体共振(SPR)、荧光等光谱分析技术,通过分子识别及信号转换与放大原理及方法学的创新,建立了一系列高灵敏度和高选择性的生物传感检测新方法[12~17]

    1.1.1   生物分子的检测

    生物关键分子的检测对于了解其生理和病理功能、验证疾病生物标志物和早期诊断疾病至关重要。例如,凝血酶是一种特异性的丝氨酸内蛋白酶,在凝血级联、血管生成、肿瘤生长、血管扩张和血栓形成等许多生理和病理过程中发挥着重要作用,凝血酶还可作为一种调节血小板聚集、内皮细胞激活和血管生物学中其他重要反应的激素[18]。开发具有高灵敏度和高选择性的凝血酶检测传感器具有重要的研究和临床应用价值。Liu等[19]开发了一种基于MoS2纳米材料的无标记、共振光散射(Resonance Light Scattering,RLS)原理的适配体传感器,用于凝血酶的超灵敏、高选择性检测。在凝血酶存在的情况下,凝血酶适配体可转化为G-四链体结构并与凝血酶结合,导致溶液中r-DNA序列解离。引入MoS2后,游离的r-DNA序列可以吸附在MoS2表面形成稳定的r-DNA-凝血酶-MoS2复合物,增加RLS信号。该传感器系统在临床上人血清中凝血酶的检测方面具有很大的应用前景。三磷酸腺苷(ATP)被认为是生命的燃料分子,在调节生物体的细胞代谢和生化途径中起着重要的作用。而且,ATP水平异常与各种疾病,如缺血、心血管病、低血糖症和一些恶性肿瘤等的发展有关。因此,准确检测和定量ATP在生化、临床等方面的应用具有重要意义。Wu等[20]提出了基于比率型表面增强拉曼光谱的新型传感平台用于ATP的检测。笔者课题组[16]首次利用2-氨基嘌呤(2-AP)对周围碱基堆积环境的敏感性以及适配体的特异性结合能力,构建了一种腺苷荧光传感器。当腺苷不存在时,互补DNA(APD)会与适配体结合形成双链结构,核酸外切酶Ⅰ不能对其进行酶解,因为双链的碱基堆积作用,2-AP的荧光被大幅猝灭;而随着腺苷的加入,适配体会与腺苷特异性结合,发生结构转化,APD不能与适配体形成双链,遂被核酸外切酶Ⅰ酶解,从而使2-AP荧光得以恢复。该方法具有很好的通用性,通过改变适配体,可望用于其他物质的检测。

    此外,大多数生物传感器的研究只针对一种靶标物的检测,不能在一个系统里进行多个目标物的检测,且需要复杂的化学修饰和高昂的测试费用,因此,开发通用型的适配体生物传感器用于多种目标物的检测尤为重要。Zhu等[21]提出了基于DNA/Ag的纳米簇荧光发光系统,用于生物分子(ATP、腺苷和凝血酶)的检测(图 1),基于适配体构象变化和荧光激活原理,在目标物存在的情况下,适配体与靶标物结合并发生构象变化形成稳定的双链DNA,与适配体互补的c-DNA序列和信号探针s-DNA序列互补形成双链结构,并引起s-DNA链上Ag纳米簇因靠近c-DNA上的富鸟嘌呤区域而产生荧光信号,该传感系统可检测三种生物分子(ATP、腺苷、凝血酶),并对能与适配体特异性结合的其他小蛋白或生物分子实现高灵敏度和高效的检测。

    图 1

    图 1.  基于发光DNA-Ag纳米簇的靶标物(三磷酸腺苷、腺苷、凝血酶)检测[16]
    Figure 1.  Detection of targets (ATP, adenosine, TB) based on luminescent DNA-Ag nanoclusters[16]

    Zhu等[22]通过使用适配体修饰的金纳米颗粒,提出了一种简便、灵敏的连续比色法用于检测腺苷和Cr3+。基于DNA碱基对严格的互补配对原则,腺苷适配体被修饰到功能化的金纳米颗粒表面。适配体与靶标物的特异性结合引起构象变化,结果适配体在与腺苷结合后将聚集的纳米颗粒迅速分解成分散的纳米颗粒,并且粒子之间的距离变化导致溶液颜色由蓝色变为红色。由于11-巯基十一烷酸的羧基与金属离子之间的螯合作用,使分散的纳米颗粒对Cr3+表现出敏感性聚集,溶液颜色由红色变为蓝色。

    1.1.2   癌细胞检测

    癌细胞的敏感检测在癌症的早期诊断和转移中起着至关重要的作用[23],许多研究者利用适配体传感器直接检测癌细胞。例如,Khoshfetrat等[24]利用靶向蛋白质酪氨酸激酶7(Protein Tyrosine Kinase,PTK7)的适配体sgc8c开发了一种检测白血病细胞的适配体传感器,引入溴化乙锭(EB)并使其插入适配体发夹的茎中来提供信号。当靶标(即PTK7)存在时,靶标与适配体结合,破坏了适配体的发夹结构,释放出嵌入的EB并降低了电极表面的氮掺杂石墨烯纳米片上的电信号。Wang等[25]使用聚腺嘌呤修饰的适配体系统通过靶标结合后差示脉冲伏安法识别电压下降来检测MCF-7乳腺癌细胞。他们采用双适体靶标结合的方法对癌细胞进行高灵敏度、特异性的比色检测(图 2)[26]。该传感平台中,具有高催化活性的Pt-Au纳米颗粒和磁聚集分散的磁纳米粒子起信号放大的作用,少量靶细胞(10个/mL)的存在即可引起溶液颜色改变且颜色深浅与细胞数量有关,保证了检测的灵敏度和特异性,在临床癌症诊断中具有潜在的应用价值。

    图 2

    图 2.  双适配体比色法检测癌细胞[20]
    Figure 2.  Schematic diagram of colorimetric detection of cancer cells on the basis of dual-aptamer target binding and bio-bar-code strategy[20]

    总之,适配体被广泛应用于不同类型生物传感器的构建,用于检测与癌症相关的生物分子和癌细胞,提高了对目标物检测的选择性。

    如前所述,适配体与其靶标物(主要位于细胞膜表面)有很强的结合力,因此被用于多种生物分子的检测或者癌细胞的检测。适配体本身不具备成像能力,需要对适配体进行进一步的修饰,如与不同的成像试剂偶联而用于特定部位肿瘤组织或细胞的体内外成像,这将显著改善肿瘤治疗的预后,提前预知治疗效果,进而做出进一步的诊断结果。

    1.2.1   适配体靶向的荧光成像

    荧光成像已经成为最广泛应用于活体动物细胞和组织的癌症靶向成像工具之一。在所有的荧光成像系统中,荧光团和荧光纳米材料是最有用的荧光标记。由于适配体是化学合成的,所以荧光团可以通过磷酰胺化修饰到适配体的5'端、3'端或中间部位。经过这种化学修饰后,适配体可以用于荧光成像。例如,Zhao等[27]开发了用于NSCLC(非小细胞肺癌)、腺癌细胞的新型适体探针。他们使用TAMRA(四甲基罗丹明)-荧光标记适配体将腺癌细胞与正常肺组织和其他类型肺癌区分开来,这对晚期NSCLC的诊断和治疗很有价值。Song等[28]开发了一种能够识别EpCAM(上皮细胞粘附分子)的DNA适配体,这种分子在大多数实体癌症中都过表达,利用FITC(异硫氰酸荧光素)标记后,适配体可以选择性地将EpCAM阳性细胞系与阴性细胞系区分开来。此外,荧光基团修饰适配体的荧光成像还可用来监视细胞中生物分子的分布,进而增进对细胞功能和病理的了解。例如,Zhang等[29]设计了一种适配体功能化的DNA树枝状分子用于原位监测ATP。最近,Li等[30]开发了一系列框架核酸(Framework Nucleic Acid,FNA)纳米器件用于亚细胞ATP成像。他们最初构建了基于两个四面体纳米结构(Tetrahedron nanotstructures,TDNs)的FNA纳米平台用于溶酶体中。两个TDNs具有不同的分支顶点,但两个TDNs在顶点都有一个分裂的ATP适配体和一个生物分子i-motif基序。当TDNs进入细胞内酸性溶酶体时,酸性环境诱导TDNs(通过i-motif基序单元)组装成异二聚体结构。形成的这种大的框架结构使两个TDNs上分裂的ATP适配体接近,允许ATP通过荧光共振能量转移(FRET)在溶酶体内成像。

    适配体荧光标记不仅在体外被用于癌细胞成像,在体内也被用于肿瘤组织的靶向成像。Shi等[31]利用靶向PTK 7的DNA适配体研制了一种可激活的适配体探针(AAP),AAP由适配体sgc8(A链)、poly-T-连接体(T链)和与A链的一部分互补的短DNA序列(C链)组成。荧光团FAM和猝灭剂BHQ1分别在两端修饰,通过FRET形成AAP的猝灭状态。在没有靶标物的情况下,A链与C链互补配对形成发夹结构,使荧光团靠近猝灭剂,导致荧光猝灭。然而,当适配体结合到白血病细胞(CCRF-CEM cells)的膜受体上时,其构象发生变化,产生活化的荧光信号,该结构在小鼠皮下肿瘤成像中得到成功应用。

    荧光标记适配体作为显影剂通常受光漂白等因素的影响,导致成像差和灵敏度降低。基于纳米材料的荧光标记具有较大的斯托克位移、较强的亮度、优异的光稳定性、较大的表面积和可调的尺寸等优点,为癌症成像带来了巨大的优势。各种类型的纳米材料也被应用于体内和体外癌细胞协同成像诊断和治疗。

    1.2.2   适配体靶向的磁共振成像

    磁共振成像(MRI)使用强磁场、电场梯度和无线电波生成图像。众所周知,MRI具有很高的空间分辨率,但相对不敏感。研究表明, 相对于无适配体修饰的纳米颗粒,适配体修饰的纳米材料造影剂在肿瘤中的MRI对比度明显改善。超顺磁性氧化铁纳米颗粒、Mn3O4纳米颗粒常被用作跟踪不同细胞类型的造影剂[32, 33]。通过使用适配体对这些造影剂进行表面修饰,它们可以专门针对癌细胞进行诊断成像。Zhao等[34]开发出新型纳米材料复合物,适配体修饰在Fe3O4磁纳米粒子表面,用于靶向肿瘤,合成的纳米复合材料具有在小鼠体内进行磁共振成像的能力。

    1.2.3   其他成像

    计算机断层扫描(CT)、正电子断层扫描(PET)、单光子发射断层扫描(SPECT)和超声成像也是常用的诊断工具[35, 36]。SPECT和PET都是基于放射性核素的成像技术,具有良好的组织穿透能力。通常,99mTc、111In和125I用于SPECT成像,11C、18F、76Br和64Cu用于PET成像[37]。Charlton等[38]最早将NX21909适配体与中性粒细胞弹性蛋白酶结合,用放射性99mTc标记适配体,静脉注射于大鼠前肢炎症模型中,系统给药后,用适配体检测到的前肢炎症信号高于寡核苷酸对照组且适配体组在2h内的信噪比显著低于IgG(免疫球蛋白)组,这些结果为适配体在超声成像中的应用提供了一个很好的例子。Li等[39]将AS1411适配体的末端与不同的螯合剂结合,并用64Cu进行放射标记,评估了适配体用于微PET/CT成像的体内摄取特征。

    选择性靶向肿瘤细胞和组织是目前肿瘤治疗方面面临的最大挑战。化学药物治疗杀死癌细胞的同时对健康细胞和组织也造成了破坏,产生严重的治疗副作用。因此,靶向肿瘤细胞和组织的药物递送成为肿瘤治疗的一个重要方向。适配体不仅可以作为靶向配体用于癌症的诊断,还可用于癌症的治疗中,提高治疗效率。目前,有关适配体在癌症治疗中的应用也有大量相关报道。

    2.1.1   适配体-药物系统

    在适配体-药物系统中,药物直接与适配体通过共价或非共价的方式结合。阿霉素(DOX)是目前研究中应用最广泛的化学治疗药物,其通过阻断细胞DNA复制和转录过程达到抗癌效果。阿霉素可以插入到核酸适配体中,在通过适配体的靶向作用被运送到特定的癌细胞或组织部位发挥作用[40]。Tan等[41]将两条DNA短链与核酸适配体结合,经过杂交和链延长后能形成类似纳米“火车”结构,提供大量的可寻址位点来负载药物,并在核酸适配体的“牵引”下运输到特定部位;核酸适配体末端接上疏水基团后在溶液中便能自组装成胶束结构,抗癌药物被储存在胶束内部并随胶束运输到特定细胞后释放出来。与单独使用阿霉素相比,该药物系统具有更高的治疗效果和更好的生物相容性。随着对适配体结构修饰的研究,之后Zhang等[42]通过将适配体、荧光团和载药位点等功能域整合到DNA树突状大分子中(图 3),设计了一种基于适配体的DNA树突状大分子作为抗癌药物载体,并显示出针对癌细胞的选择性细胞毒性。

    图 3

    图 3.  适配体自组装成用于靶向、生物成像和药物递送的DNA树状分子[34]
    Figure 3.  A controllable aptamer-based self-assembled DNA dendrimer for high affinity targeting, bioimaging and drug delivery[34]

    最近,Thelu等[43]提出一种基于适配体修饰和DNA自组装技术而成的物理交联纳米凝胶,该纳米凝胶仅由生物分子组成,包括DNA、蛋白质、生物素作为靶向递送抗癌药物的纳米载体,通过生物素和链霉亲和素之间的特定分子相互识别作用,用于DNA纳米结构的交联。阿霉素被包装在DNA双链结构内,保证了高的包封率,纳米凝胶表面的适配体通过与CCRF-CEM和HeLa细胞系上过表达的PTK7受体之间的特异性相互作用选择性识别CCRF-CEM和HeLa细胞并在细胞内传递。该研究基于生物分子自组装获得的纳米凝胶将给靶向药物治疗提供一种新思路。

    MUC1是一种在多种腺癌中过表达的细胞表面糖蛋白,早在2011年,Huang等[44]将MUC1适配体连接到DNA二十面体,并使用该系统将DOX有效且特异性地递送至上皮癌细胞以进行癌症治疗。在此之后,许多研究组将适配体用于基于四面体的药物递送系统[45, 46]。最近,Lin等[47]开发了一种基于AS1411适配体修饰的DNA四面体纳米药物系统,用于乳腺癌细胞的靶向治疗,Lin等将抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-FU)插入了DNA四面体的顶点,通过与基于游离5-FU的治疗相比,证明修饰AS1411适配体对促进靶向细胞治疗的重要性。为了进一步对癌细胞进行靶向作用,Chen等[46]同时用MUC1适配体和AS1411适配体修饰了DNA四面体,以同时靶向癌细胞和核仁素。

    抗HER2适配体HApt可特异性识别并结合表皮因子受体HER2。HApt可以将HER2转运至溶酶体进行降解,从而刺激细胞死亡并抑制细胞生长[48]。Lin等[49]最近报道将HApt与四面体核酸框架结合使用,提高了HApt的稳定性并延长了其血液循环时间。

    2.1.2   适配体-纳米材料系统

    纳米材料的快速发展为药物递送提供了良好的平台,部分纳米材料尺寸微小,易于穿过组织和细胞,从而增强渗透性并延长在靶点的滞留时间,当适配体修饰在纳米材料表面时,可以在体内外进行主动靶向,进而用于肿瘤治疗。目前,有许多研究组报道了用于药物递送的适配体-纳米材料复合物。

    最常用的药物递送纳米材料包括金纳米材料、量子点、二氧化硅纳米颗粒、脂质体、超顺磁性氧化铁纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯、介孔材料、共价有机骨架以及一些其他新型纳米材料[50~56]。适配体通常在纳米材料表面进行修饰以获得靶向性。药物装载策略包含以下几种不同的模式。

    对于某些纳米材料,如二氧化硅纳米颗粒、脂质体等,药物通过静电吸附或共价偶联作用在纳米颗粒内部掺杂或偶联。通过在二氧化硅基质中掺杂显影剂或化疗剂,二氧化硅纳米颗粒已被用于癌症诊断和治疗[57]。Zhu等[58]通过在介孔二氧化硅纳米颗粒表面修饰癌细胞特异性DNA适配体,开发了一种靶向癌细胞的细胞内控释药物传递系统并通过实验验证了该系统靶向药物递送的可行性。脂质体具有良好的生物相容性、低毒性、缺乏免疫原性、稳定性好、载药效率高等特点,是目前应用最广泛的纳米抗癌药物载体之一,Moosavian等[59]论述了适配体功能化脂质体主要的共价连接方式,通过首选共价连接的方式将适配体修饰到脂质体表面实现靶向治疗。Tan等[60]利用scg8适配体来传递负载荧光素-葡聚糖的脂质体。3'巯基修饰的sgc8适配体被连接到马来酰亚胺功能化的脂链上。研究表明,scg8适配体在脂质体表面的附着显著增加了CEM细胞对脂质体的摄取。

    对于其他类型的纳米材料如金纳米粒子(AuNPs)、超顺磁性氧化铁纳米颗粒、碳纳米管以及石墨烯相关的纳米材料等,药物通常通过与材料表面π-π堆积、疏水作用或共价结合的方式负载或吸附在纳米材料上。AuNPs因其惰性和无毒的特性,在生物医学领域引起了广泛关注。AuNPs通过增强渗透滞留(EPR)效应在肿瘤组织中积累,并通过在其表面修饰适配体,它们可以主动靶向并将药物递送到肿瘤细胞和组织中。

    此外,超顺磁性氧化铁纳米粒子、银纳米簇、量子点和石墨烯相关的纳米材料等有特殊的成像能力,而AuNPs、银纳米簇、碳纳米管等可用作治疗应用,它们的这些内在特性常与药物传递过程相结合起来被研究使用,将在后续“适配体靶向的协同诊断和治疗”一节中讨论。

    激光诱导的癌症治疗包括光动力和光热治疗两个方面,激光照射触发治疗效果,因此,选择性地对肿瘤部位照射触发光热或光动力治疗,并用适配体主动靶向会显著降低毒副作用。

    光热疗法中的光敏剂从激光照射中吸收的能量以热的形式释放,以提高局部温度,癌细胞由于周围温度升高而被杀死。光热治疗中的光敏剂多是纳米材料,包括金纳米棒、金纳米壳、银纳米簇、碳纳米管等,这些纳米材料可以通过EPR效应传递到癌组织[61]。此外,通过适配体修饰,它们可以选择性地靶向癌细胞。例如,Kolovskaya等[62]提出了适配体靶向的等离子体光热治疗,基于AuNPs独特的等离子体光热特性,合成的适配体(As42)-AuNPs可以精确地靶向埃利希癌细胞,并在随后的激光治疗后选择性地消融癌细胞。与未结合的金纳米星粒子(AuNSs)相比,应用适体功能化的AuNSs具有更高的治疗效率和选择性。Li等[63]将适配体连接AuNSs用于癌症的光热治疗,巯基修饰的AS1411适配体通过Au-S键与AuNSs结合,对HeLa细胞具有高靶向性,体外靶向光热治疗和细胞凋亡实验结果显示其具有良好的抗癌作用。Chandrasekaran等[64]利用金纳米棒在600~1100 nm范围内具有较强的纵向表面等离子体吸收的特性,合成了一种新型的适配体功能化金纳米棒复合物(Apt-GNRs),用于乳腺癌的光热治疗(图 4)。结果显示,与正常细胞相比,Apt-GNRs偶联物对MCF10A肿瘤细胞表现出超强的特异性并在近红外光照射下,96%的肿瘤细胞被特异性内化而死亡。

    图 4

    图 4.  Apt-GNR的合成及其在靶向光热疗法中的应用示意图[49]

    使用种子介导的方法合成CTAB-GNR(1);将CTAB替换为PEG(2)以确保适配体连接(3);将Apt-GNP与肿瘤细胞一起孵育,然后在近红外范围内进行光热消融(4),肿瘤细胞特异性地被杀死(5)

    Figure 4.  Schematic representation of the synthesis and use of Apt-GNRs for targeted photothermal therapy[49]

    光动力治疗包含光敏剂、氧和激光三种基本元素。光敏剂在一定波长的激光照射下吸收能量并将能量传递给周围的氧,形成单线态氧。单线态氧是一种非常活跃的氧化剂,它能破坏细胞内的功能蛋白和核酸,最终导致细胞死亡[65]。目前用于癌症治疗的光敏剂有两个主要的局限性:靶向性差和疏水性,而适配体偶联物则可被用于光敏剂的靶向传递。例如,Tan等[66]设计了一种基于适配体的靶向放大PDT电路。在这项研究中,适配体选择性地识别目标癌细胞并与细胞膜上特定蛋白质结合;而适配体上伸出的催化剂序列则触发了Toehold介导的催化链移位,激活光敏剂,达到放大的治疗效果。该DNA电路能够区分患病细胞和健康细胞,减少对附近健康细胞的损害。此外,催化扩增反应仅发生在靶癌细胞附近,导致局部高浓度的单线态氧选择性杀伤靶细胞。Liu等[67]选择卟啉化金属有机骨架纳米材料与适配体结合用于靶向诱导的光动力治疗,该纳米平台解决了光敏剂溶解性差、自猝灭和易聚集等问题,对Hela细胞选择性地光动力处理效果明显。基于相似原理,Meng等[68]又在移植了Hela癌细胞的小鼠体内实验证实了该纳米系统靶向光动力治疗的有效性。

    纳米材料具有较大的表面积和独特的物理化学性质,是制备多功能癌症治疗剂的理想材料。通过在纳米材料表面修饰适配体,可以显著提高靶向效率。另一方面,适配体在识别目标物时构象的改变为成像和治疗提供了平台。因此,适体-纳米材料系统将是癌症治疗的一个热点方向。

    诊断和治疗对患者生存率起着重要作用,部分纳米材料具有多种性能,可以将诊断和治疗结合起来,例如,Li等[69]将适配体和银纳米粒子偶合作为一种多功能治疗剂(图 5),由于适配体可以与CCRF-CEM细胞膜表面的PTK-7结合,因此该试剂可以通过受体介导的内吞机制选择性进入CCRF-CEM细胞,并通过产生活性氧来损害细胞DNA,进而诱导细胞凋亡。同时,用荧光素FAM修饰适配体后,由于银纳米粒子可以增强荧光素的荧光强度,因此可以在细胞内实现清晰的成像。纳米级石墨烯量子点(GQDs)及其衍生物作为一种特殊用途的石墨烯,具有极其独特的物理化学性质。其大的表面积以及通过分子间π-π堆积作用可作为“货物”载体。同时,光致发光GQDs具有低毒、环保的特性,可用来生物成像和荧光标记。此外,高的近红外吸收和易于功能化修饰特性使其在光热治疗中具有吸引力。Cao等[70]将适配体修饰的石墨烯量子点与光敏剂卟啉衍生物相接,得到一种多功能的热渗透剂,用于癌症相关miRNA检测,还可同时进行光热和光动力协同治疗。磁性纳米材料,尤其是Fe3O4纳米粒子,具有良好的生物相容性、低毒性和生理稳定性。此外,它们还经常被用于诊断和治疗的磁共振(Magnetic resonance,MR)T2加权像(T2 Weighted imaging,T2WI)的造影剂。一些研究人员证实,Fe3O4纳米材料内部为空心结构,具有比表面积高、孔径可调、胶体稳定性等功能属性,可用于药物输送。Zhao等[71]开发出适配体功能化Fe3O4@C@DOX纳米复合物(Apt-Fe3O4@C@DOX),实现了化学治疗协同光热治疗的效果。Apt-Fe3O4@C@DOX表现出较高的光热转换效率和广泛的pH/热诱导药物释放。此外,Apt-Fe3O4@C@DOX NPs显示出MRI信号的对比度增强,这意味着它们可被用作一种造影剂,成为肿瘤组织T2加权MRI的关键组成部分。这些结果表明Apt-Fe3O4@C@DOX NPs具有巨大的癌症治疗潜力。

    图 5

    图 5.  适配体-纳米银共轭诱导细胞凋亡用于特定的癌症治疗和荧光增强细胞成像[54]
    Figure 5.  Aptamer-silver conjugate induced apoptosis for specific cancer therapy and fluorescence-enhanced cell imaging[54]

    尽管适配体与这些多性能的纳米材料在协同诊断和治疗中表现出令人满意的治疗效果,但是这些研究大多为原理验证模型,还没在体内进行广泛普遍的应用。此外,纳米材料的EPR效应和适配体引导的主动靶向作用为肿瘤细胞和组织提供了良好的选择性,然而,它们在其他器官的积累可能会对健康组织产生副作用。因此,它们的毒性和药代动力学急需进一步研究。

    适配体是一种针对不同类型靶标的新型特异性结合工具,在疾病诊断和治疗中受到广泛关注。本文综述了近年来适配体的选择性靶向作用在癌症诊断和治疗中的应用研究进展。对于癌症的诊断,已经开发出几种适配体来识别并与癌症相关的蛋白质或者癌细胞相结合。因此,基于适配体与生物分子之间的强结合亲和力,研究者们开发出大量的生物传感器。这些生物传感器有望用于对患者血液中微量的与癌症相关标志物或癌细胞进行高选择性、高灵敏度的检测。此外,适配体通过与新型纳米材料相结合可实现在癌细胞和组织内的体内外成像。同时,不同的治疗药物,如化疗药物、光敏剂等与适体偶联用于不同治疗策略的靶向肿瘤治疗。为了提高诊断的准确性和治疗效率,还对适配体进行了修饰,开发了同时具有成像和治疗功能的适配体-纳米复合物协同诊断和治疗。

    适配体靶向作用在癌症诊断和治疗中有几个优点。首先,适配体对靶标的高结合亲和力保证了对肿瘤相关标志物和癌细胞的高选择性,这是进一步诊断、成像和治疗的重要步骤;其次,适配体的合成和修饰有助于功能性靶向复合材料的制备,为临床应用提供了可能性;此外,当适配体与纳米材料偶联时,纳米材料的固有特性增强了诊断和成像的灵敏度,也为药物的传递提供了理想的平台。

    然而,基于适配体癌症诊断和靶向治疗的复合材料的发展仍处于早期阶段,在临床实践中有几个挑战需要解决。(1)普遍适用的适配体种类少,目前癌症种类多,针对不同的癌症需要不同的适配体精准的靶向进行诊断和治疗,这就需要进一步加大研究,寻找合适的针对靶点或靶标物的适配体。适配体在筛选过程中存在假阴性/阳性选择,这是当前可用适配体种类少的一个因素,主要取决于目标靶标的天然特性。传统方法中蛋白质一直是适配体常见靶标,靶标蛋白的分离纯化是适配体筛选成功的关键;此外纯化的蛋白可能以与天然蛋白不同的构象存在于细胞表面,因此通过基于蛋白质SELEX纯化分离出对靶标物有特异性的适配体可能无法识别其在细胞表面的靶标蛋白。开发基于全细胞SELEX可以克服基于蛋白质SELEX的局限性,通过使用表达目标靶标的活细胞代替纯化的蛋白质,从而能够鉴定识别具有天然构象的适配体。其次,肿瘤发生是一个动态过程,基于全细胞SELEX中培养的细胞,特别是永生化的细胞系,与体内肿瘤组织有很大的不同,这也是制约筛选可用适配体的一个因素,为了克服这些局限性,并为适配体开发选择更可靠的癌症相关生物标记,有研究提出基于组织SELEX和体内SELEX,它们可以在更相关的病理条件下提供靶标选择。此外,为提高SELEX的选择效率,新型PCR(聚合酶链式反应)技术(例如液滴数字PCR[72]和乳液PCR[73~75])可以改善传统PCR循环中因非特异性副产物积累造成的偏差,可以保留文库的多样性,加之使用高通量测序技术和SELEX相结合的方法,不仅可以节省时间,还可以减少技术偏差上的风险。(2)虽然许多成功的案例选用适配体已发表了相关的癌症诊断和治疗的论文,但使用基于适配体的复合材料中,大多数是在理想的缓冲溶液或体外培养,在动物身上进行的研究很少。(3)纳米复合材料是肿瘤诊断和治疗的主要方向。适配体-纳米材料为靶成像和靶向药物传递提供了一些优势,但其毒性和药代动力学在进入临床实践之前仍需要被充分研究。(4)近年来随着纳米材料种类研究深入,许多优良性能的纳米材料在靶向诊断和治疗中的作用不同,可以将几种纳米材料结合起来,协同发挥各自在诊断和治疗中的作用,提高效率,这也将是一个新的创造性的挑战。


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  • 图 1  基于发光DNA-Ag纳米簇的靶标物(三磷酸腺苷、腺苷、凝血酶)检测[16]

    Figure 1  Detection of targets (ATP, adenosine, TB) based on luminescent DNA-Ag nanoclusters[16]

    图 2  双适配体比色法检测癌细胞[20]

    Figure 2  Schematic diagram of colorimetric detection of cancer cells on the basis of dual-aptamer target binding and bio-bar-code strategy[20]

    图 3  适配体自组装成用于靶向、生物成像和药物递送的DNA树状分子[34]

    Figure 3  A controllable aptamer-based self-assembled DNA dendrimer for high affinity targeting, bioimaging and drug delivery[34]

    图 4  Apt-GNR的合成及其在靶向光热疗法中的应用示意图[49]

    Figure 4  Schematic representation of the synthesis and use of Apt-GNRs for targeted photothermal therapy[49]

    使用种子介导的方法合成CTAB-GNR(1);将CTAB替换为PEG(2)以确保适配体连接(3);将Apt-GNP与肿瘤细胞一起孵育,然后在近红外范围内进行光热消融(4),肿瘤细胞特异性地被杀死(5)

    图 5  适配体-纳米银共轭诱导细胞凋亡用于特定的癌症治疗和荧光增强细胞成像[54]

    Figure 5  Aptamer-silver conjugate induced apoptosis for specific cancer therapy and fluorescence-enhanced cell imaging[54]

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  • 发布日期:  2020-11-01
  • 收稿日期:  2020-06-08
  • 接受日期:  2020-07-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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