万字长文!自组装纳米结构siRNA递送系统

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摘要

在纳米尺度自组装基因递送系统的开发中使用了广泛的有机和无机材料,以提高核酸药物的治疗效果。

 

小干扰RNA(siRNA)最近被公认为是一种有前景的强效核酸药物,用于治疗包括癌症在内的不可治愈的遗传疾病;然而,基于siRNA的治疗剂与常规核酸药物(如质粒DNA和反义寡核苷酸)存在相同的药物递送问题。

 

针对核酸药物开发的许多药物递送策略已应用于siRNA治疗剂,但其并未产生令人满意的体内基因沉默效率以保证临床试验结果。这篇综述讨论了为有效的siRNA诱导基因沉默而开发的自组装和纳米结构递送系统的最新进展及其在临床环境中的潜在应用。

 

万字长文!自组装纳米结构siRNA递送系统

siRNA作用机制

 

 

关键词

 

非病毒基因携带者  聚乙二醇化多聚体  自组装纳米结构  siRNA药物 siRNA-PEG结合物

 

引言

 

RNA干扰(RNAi)是一种通过靶mRNA分解特异性抑制基因表达的技术,近期被公认为是一种治疗多种人类遗传疾病和感染性疾病的有效方法(1)


小干扰RNA(siRNA)是RNAi的关键介导因子,siRNA是由21~23个双链核苷酸组成,其中含有2个核苷酸,3′端与5′端磷酸和3′端羟基重叠。作为一种治疗药物,siRNA与常规药物相比具有若干优势,包括小分子和其他核酸药物,通过在极低的细胞内浓度下以高度有序特异性的方式提供高效的基因沉默,并且几乎没有任何毒性作用(3)

 

尽管siRNA药物具有巨大的治疗潜力,但由于缺乏有效的药物递送方法,其在临床环境中的使用受到极大的限制(4,5)。为了开发最佳的siRNA递送方法,了解与siRNA药物递送相关的细胞外和细胞内屏障是必不可少的先决条件。


一般而言, siRNA极大多数具有递送障碍,必须克服这些障碍才能理想地递送其他核酸药物,如质粒DNA和反义寡脱氧核苷酸(ODNs)(图1):(a)在核酸药物和载体化合物之间形成致密的纳米尺度复合物,(b)给药途径的选择,(c)体循环,(d)靶组织定位,(e)细胞内转运,(f)从内吞体和溶酶体等内吞室逃逸,(g)核转运和(h)基因表达(6)。与质粒DNA的基因表达不同,siRNA需要快速从细胞内细胞器逃逸到细胞质中,而不局限于细胞核,在细胞核中siRNA会诱导RNAi(7)

 

尽管之前开发的一些基因载体已经用于siRNA,但基于RNA的临床治疗方法需要更精心设计的递送系统,以达到最大的基因沉默效应。

 

万字长文!自组装纳米结构siRNA递送系统

图1:使用各种阳离子载体进行非病毒基因传递的细胞外和细胞内屏障:(a)形成凝聚的纳米颗粒,(b)延长体循环,(c)组织和细胞特异性定位,(d)通过内吞作用(或细胞膜渗透)的细胞内摄取,(e)核内体逃逸,和(f)核定位。

 

本文主要介绍目前使用各种有机和无机材料的自组装纳米结构siRNA递送系统的进展,特别强调用于系统性siRNA递送的各种聚乙二醇 (PEG)偶联物

 

 

 

正文

 

1、阳离子聚合物基于核酸载体的尺寸和稳定性问题

由于核酸药物具有相对较高的分子量(大多数大于13 kDa)和对核酸酶介导降解的内在敏感性,其理化特性,包括大小和稳定性,由核酸与聚合物载体相互作用形成的多聚体是体内基因传递的关键决定因素(图1)(2) (8)

 

在过去的几十年中,广泛研究了多种阳离子聚合物,其能够与遗传物质形成自组装纳米结构,以实现高转染效率、生物相容性和低细胞毒性(9)。多聚体具有直径小于300 nm的电荷粒径和凝聚态结构,这是保护其核酸货物免受酶降解所必需的(6)。可通过控制或改变多聚阳离子的组成和结构来微调载体的核酸缩合和转染效率。

 
例如,分子量较高的聚-L-赖氨酸(PLL)往往比分子量较低的PLL显示出更有效的核酸缩合能力,这通常能导致形成更稳定的多聚体(10)。低分子量PLL(< 3 kDa)以相同的聚合物/DNA比值产生较少致密的核酸多聚体。根据其骨架结构,聚乙烯亚胺(PEI)在DNA缩合和多聚体形成方面表现出不同的行为。虽然分枝PEI形成的多聚体即使在细胞摄取后仍以高度凝聚的纳米颗粒形式存在,但线性PEI倾向于形成较少凝聚的多聚体,其在细胞摄取后比分枝PEI更容易解离(11)
 
应该注意的是,中性电荷和核心周围凝聚性较小的核酸片段可能是核酸酶介导消化的易受影响位点,从而导致转染效率降低。尽管这些表面带正电荷的多聚阳离子/核酸多聚体对于体外基因转移是有用,但当静脉注射时,其容易通过带电荷血清蛋白的非特异性结合聚集成更大的结构,从而导致从血浆通过网状内皮系统(RES)快速被清除(12)
 
为了最大限度地减少血清衍生组分间聚集和非特异性吸收,通过偶联血液相容的功能性聚合物(如亲水性聚乙二醇和右旋糖酐)或通过形成不同的纳米结构(如聚合物胶束、纳米胶囊和多壳纳米颗粒)进一步调谐多链体结构。
 
特别是,siRNA和反义ODN与阳离子复合物的粒径通常大于300 nm,而其在生理条件下的完整长度通常小于10 nm(13-15)。与长质粒DNA相比,具有短链长度和刚性结构的双链siRNA尤其难以通过单独的静电相互作用形成稳定且高度凝聚的纳米颗粒。
 
因此,有许多方法旨在通过修饰载体系统本身(如阳离子缩聚物的PEG化)产生更稳定和更紧凑的siRNA多聚体。有趣的是,最近进行的siRNA单体聚合通过多聚阳离子和聚合的siRNA之间的复合物形成致密的纳米结构,这主要归因于链长度和电荷密度的增加导致高链柔性和静电亲和力(16,17)

 

 

2、具有PEG化结构的自组装聚丙烯纳米微粒

 

PEG化是PEG链与其他分子共价连接的过程,常用于增强药品的稳定性。自20世纪70年代Davies和Abuchowski首次描述PEG化以来(18,19),PEG化技术已被广泛用于蛋白质、多肽、抗体片段、寡核苷酸等小分子等众多生物活性药物的修饰。除了作为物理稳定剂外,PEG化还具有显著和独特的药理学优势,如降低毒性、减弱免疫原性、改善生物利用度和减少聚集(20,21)

 

一般而言,PEG化产物的理化性质主要受分子量和PEG取代度的影响。根据先前的研究,稳定和隐身效应需要2 kDa的最小PEG尺寸,并且体循环时间随着PEG分子在表面的取代度增加而增加(22)。具体来说,聚乙二醇化多聚体胶束(表示为多重胶束)由两个隔室组成:含有阴离子大分子(如核酸药物)的中性电荷内核和作为空间稳定屏障的亲水性PEG电离层(23,24)。由于具有独特的核-壳结构,多聚体胶束可以通过减少相互间聚集来维持生理条件下的胶体稳定性。

 

因此,多重胶束可以降低网状内皮系统(RES)清除率,延长体循环时间,并增加达到目标位点的机会(25)。与不含PEG的多聚体相比,多聚体胶束产生直径小于100 nm、尺寸分布窄的更小更稳定的纳米复合物(图1)。(2)

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图2

解释自组装纳米颗粒形成趋势的示意图。在水相中,微米尺度的核酸可与各种阳离子材料自组装成纳米多聚体。聚乙二醇化可以减小粒径,中和表面电荷,并在空间上稳定纳米颗粒。

 

例如,PEI-PEG/DNA多聚体胶束的直径小至60 nm,而PEI/DNA多聚体的直径约为150 nm(26)。据报道,随着偶联PEG段分子量的增加,多链体胶束的粒度也在一定程度上有所下降(27)。多聚体胶束从0.5 kDa PEG的直径约130 nm到20 kDa PEG为50 nm。

 

此外,多聚体的表面电荷随着PEG链接枝程度的增加,胶束减少,可能是由于PEG的电荷屏蔽效应,这只能在PEG大于5 kDa时观察到。阳离子缩合材料的PEG化策略也被应用于构建对siRNA递送特别有用的多重胶束(28-32)。表I列出了含各种基因药物的多重胶束的几种处方。

 

表I 各种聚乙二醇化的基于聚丛的核酸递送系统

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除非另有说明,否则采用动态光散射法测定粒度

 

 

3、具有核酸-PEG结合物的自组装纳米载体

 

最近,引入了替代方法,通过核酸的直接PEG化代替聚乙二醇化聚阳离子共聚物来获得多聚体胶束(56)。核酸-PEG偶联物通过与常规的阳离子载体相互作用形成多聚体胶束,包括聚合物、多肽、脂质体和纳米颗粒。所得的多链体胶束具有特征性的核壳结构,由亲水性PEG电离层包围的中性电荷的核组成。合成了反义ODN-PEG杂交结合物,并用作形成多聚体胶束的替代载体(23,57)。还合成了含siRNA的类似杂交偶联物。

 

核酸基因沉默分子如反义ODNs和siRNA的PEG化也可增强物理稳定性和生物活性。尽管反义ODN和siRNA均能特异性地抑制互补基因的表达,但它们表现出明显的不同沉默机制导致的功能特性(图1)。(3) (58,59) 反义ODN与靶mRNA直接杂交,形成DNA-RNA双链,可被称为核糖核酸酶H(RNase H)的内源性酶识别和降解。

显然,在细胞内转运后没有必要去除共价连接到反义ODN上的PEG链。对于siRNA,细胞内递送的siRNA被识别并掺入RNA诱导的沉默复合物(RISC)中,其中引导链与双链siRNA分离,并与靶mRNA中的互补序列杂交。siRNA结合的RISC最终通过酶促过程结合并降解靶mRNA。RIS介导的裂解受构象变化的限制,构象变化是形成含有引导siRNA链的活性RISC所必需的(60)。与反义ODN不同,附着的PEG封闭引起的空间位阻可能限制siRNA进入RISC的结合位点。
然而,关于核酸和PEG片段之间的连接是否在细胞摄取后必须裂解仍存在争议。我们最近的研究表明,当共PEG的分子量小于10 kDa时,siRNA和PEG之间的可裂解和不可裂解连接表现出相似的RNAi活性(61)。尽管可裂解和不可裂解siRNA-PEG结合物之间的基因沉默活性没有差异,但有趣的是,仅siRNA的可裂解PEG化诱导靶mRNA的序列特异性降解。

 

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图3(a)反义ODN和(b)siRNA的不同转录后基因沉默机制。

 

如图4所示,引入了四种不同的PEG化策略以生成反义ODN或siRNA-PEG结合物:非可裂解(酰胺)键、可酸裂解(磷酸酯)键、可酸裂解(β硫代丙酸酯)键和可还原裂解(二硫键)键。

 

 

4、具有非可裂解连接的核酸-PEG结合物

 

反义c-raf ODN在5′-端具有伯胺基团,通过非可裂解酰胺键直接与NHS-衍生化PEG偶联(图4a)(23,45)。ODN-PEG结合物形成了多重胶束(约70nm),用分支PEI(25kDa)以1:2.5的N/P比进行缩合。

 

与仅用反义ODN(45)相比,反义c-raf ODN的多聚体胶束制剂在人卵巢癌细胞(A2780)中显示生长降低高达70%。当叶酸被引入PEG段的远端位置并用作癌细胞靶向部分时,在全身给药后,叶酸受体过表达KB细胞的肿瘤异种移植物中,多链胶束的沉积比叶酸受体缺陷A549细胞高2-3倍(43)

5、具有酸可切割连接的核酸-PEG结合物

 

为了获得ODN的胞内体释放,在ODN和PEG之间引入酸可裂解连接物,如氨基磷酸酯和β-硫代丙酸酯,用于合成ODN-PEG结合物(图4b)。为了合成具有可酸裂解磷酸酰胺键的聚乙二醇化反义c-myb ODN偶联物,ODN的5′-磷酸基团被激活,生成活性ODN-磷酸咪唑化中间体(57)。活性中间体与乙二胺通过氨基磷酸酯键反应生成伯胺基,然后该伯胺基与NHS修饰的PEG衍生物偶联。所得ODN-PEG结合物含一个磷酸酰胺接头,进一步用阳离子融合肽KALA制备。
 
虽然KALA/ODN多聚体显示出大约200 nm的流体动力学直径,但是发现KALA/ODN-PEG多聚体胶束的直径大约为70 nm。聚乙二醇化反义c-myb ODN与KALA肽自组装在抑制鼠平滑肌细胞增殖方面是未修饰ODN与KALA缩合的1.6倍。
 
通过使用双功能PEG衍生物(乙缩醛PEG-丙烯酸酯,5 kDa)结合3′-巯基修饰的反义ODN(42),还使用了另一个酸可裂解键(β-硫代丙酸酯键)合成ODN-PEG偶联物。所得ODN-PEG结合物形成具有线性PEI的多聚体胶束,显著增加了ODN在核酸酶降解和血清蛋白吸收方面的稳定性。在细胞摄取后,PEG和ODN片段之间的这些不耐酸连接可裂解,与核内体中的pH值降低对应。在内涵体逃逸后,释放到细胞质中的ODN可与其互补的mRNA序列杂交以阻断翻译。

 

 

6、具有可剪切连接的siRNA-PEG结合物

最近,基于siRNA的药物在基因治疗领域引起了广泛关注。因此,PEG也与siRNA偶联,用于基于多聚体胶束的递送。由于相邻的PEG链可能阻碍siRNA掺入RISC,因此siRNA从siRNA-PEG偶联物中释放并掺入RISC以激活RNAi机制将非常重要。因此,siRNA-PEG偶联物可能需要siRNA和PEG之间的可裂解连接,在细胞内条件下可以很容易地裂解,以便促进完整siRNA释放到细胞质中。
 
为了促进siRNA的生理稳定性而不失去其RISC掺入特性,通过使用pH响应(酯)和氧化还原响应(二硫键)连接,合成siRNA-PEG偶联物,预期分别在酸性胞内体和还原性胞质环境中裂解(图4b,c)(46,49,62)。值得注意的是,这些修饰siRNA的末端结构主要决定了其选择性和活性(63,64)。
 
因此,在合成siRNA-PEG之前,应仔细考虑siRNA的偶联位点,以便最大程度降低RNAi活性的降低。研究表明,siRNA双链体反义链5′-末端的状态在诱导RNAi机制中起着至关重要的作用,因为将siRNA插入RISC的结合位点需要反义链的5′磷酸基团(65)。在siRNA双链体的4个末端(有义链和反义链的3′端和5′端)中,通常使用反义链的3′端和5′端以及3′端进行siRNA修饰,以最大程度降低RNAi效率(66)。
 
最近,可还原二硫键已广泛用于siRNA与胆固醇、多肽和无机纳米颗粒等多种功能分子的化学修饰(67-70)。为了在PEG链和siRNA分子之间引入二硫键,在siRNA双链体有义链的3′端衍生末端伯胺基。采用异功能偶联试剂SPDP,以吡啶基二硫化物进一步修饰末端胺。然后巯基修饰的PEG与末端修饰的siRNA结合,形成siRNA与PEG之间含有二硫键的siRNA-PEG偶联物(图4c)(49,50)。自组装多聚体胶束的核-壳结构主要保护siRNA分子不被核酸酶降解,这已被普遍接受。
 
根据之前的研究,与未修饰的siRNA相比,即使不与阳离子分子络合,siRNA-PEG本身也表现出对核酸酶降解的抗性增强(49)。与许多其他在人血浆中表现出蛋白酶抗性的PEG化治疗性蛋白类似,单独的siRNA-PEG偶联物在存在血清的情况下在一定程度上有助于维持siRNA的结构完整性。

 

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图4

制备不同连接键的核酸-PEG偶联物的合成策略:(a)不可裂解的稳定酰胺键,(b)可酸裂解的(i)磷酸酰胺键和(ii)β-硫代丙酸键,以及(c)可还原的二硫键。NHS:琥珀酰亚胺基羧甲基酯;EDC:乙基二甲基氨丙基碳二亚胺;SPDP:N-琥珀酰亚胺基-3-(2-吡啶基二硫代)丙酸酯。

 

 

7、siRNA-PEG结合物的核心形成材料

 

在水介质中,由于电荷互补退火,siRNA-PEG偶联物可自组装形成具有各种阳离子核心形成剂的多重胶束,如阳离子聚合物、多肽和颗粒。与其他聚乙二醇化的多聚胶束一样,由于中性电荷,阴离子siRNA片段和阳离子对应物形成内核,而PEG链围绕核心产生亲水性的电离层。本节描述了用作核心形成剂的有机和无机材料,其与siRNA-PEG偶联物形成自组装的胶束结构(图5)。

 

(1)阳离子聚合物和肽

 

PEI具有较高的转染效率和在各种细胞中一致性的转染,是目前应用最广泛的阳离子聚合物基基因载体之一[6]。PEI和基于PEI的载体经常用于siRNA递送(71,72)。使用分支的PEI(25 kDa)来配制具有siRNA-PEG结合物的自组装多股胶束(图5a,b)(49)。在含10%血清的培养基中,PEI/siRNA-PEG胶束的基因沉默活性是PEI/siRNA多聚体的3.5倍。尽管转染效率很高,但PEI作为基因载体的主要缺点是细胞毒性和不可降解性较高
 
尽管PEG层的电荷屏蔽效应可在一定程度上降低与质膜直接相互作用引起的PEI急性细胞毒性,但高分子量PEI(25 kDa)仍具有引发长期毒性的潜力,因为其在生理环境下几乎无法降解(6,73)。
 
PLL由于其优异的DNA紧束能力而被用于转染,被用作为siRNA-PEG结合物形成多聚体胶束的冷凝剂(47)。通过在siRNA-PEG偶联物的PEG远端末端引入乳糖基团,也实现了靶向肝癌细胞。含PLL的乳糖化多聚体胶束可抑制肝肿瘤生长(62)。虽然PLL的细胞毒性小于PEI,但其也有固有的细胞毒性,这可能限制其在临床环境中的使用。此外,基于PLL载体的转染效率通常低于PEI,可能是由于缺乏内体逃逸的功能,这是siRNA掺入RISC之前的必要步骤。
 
阳离子融合肽KALA具有pH依赖性构象变化介导的核内体破坏特性(74)。阳离子肽已用于设计非病毒基因递送系统。KALA肽可通过静电相互作用使核酸药物缩合形成多聚体,并且通常表现出比传统阳离子聚合物(如PEI和PLL)低得多的毒性(75)。使用KALA肽作为与siRNA-PEG偶联物形成多重胶束的核心形成剂(图5a,c)(52)。KALA/siRNA-PEG多聚体胶束使VEGF基因表达降低高达90%。
然而,在存在血清的情况下,观察到其基因沉默效率显著降低,这可能归因于KALA肽的低电荷密度。由于双链siRNA链长较短,具有刚性结构,因此可能与KALA肽形成松散的凝聚复合物,这可能允许核心复合物与血清蛋白相互作用。为了增加KALA肽的电荷密度,Mock 等人建议KALA肽通过可还原二硫键交联(53)。可还原交联的KALA/siRNA-PEG多重胶束显示粒径小于200 nm。用交联KALA作为核心形成剂配制的siRNA-PEG在表达GFP的建立的细胞系(MDA-MB-435)中诱导靶基因绿色荧光蛋白(GFP)的显著沉默。此外,血清的存在并不影响转染效率。

 

(2)Pluronic /PEI纳米胶囊

已拟定多种基于Pluronic的纳米载体作为药物和基因递送系统(76,77)。尤其是,Pluronic-PEI(2 kDa)纳米凝胶,其在热刺激下表现出锐利的体积转变行为,是一种有趣的siRNAPEG偶联物递送候选物(图5a,d)(78)。Pluronic-PEI纳米凝胶处于塌陷状态,直径约为100 nm(37 ℃下),但是高度膨胀下直径约为400 nm,随后温度转变为15 ℃,导致纳米凝胶颗粒的体积增加了40倍以上。温度诱导的体积转换特性可用于通过内涵体膜的物理膨胀来破坏内涵体。纳米凝胶的细胞毒性也显著低于25 kDa的PEI。
 
此外,Pluronic-PEI纳米凝胶提供了足够的伸缩能力,可与核酸形成紧密的多聚体。由于siRNA分子的作用位点是细胞质,Pluronic-PEI纳米凝胶的体积-相变特性使其可作为一种有效的内体破坏剂。这可能有助于进一步诱导细胞质中的RNAi。转染后短暂的冷休克导致RNAi效率显著增强。

 

(3)金纳米颗粒

最近,金纳米颗粒(AuNP)已经被广泛研究其潜在的生物医学应用,例如药物递送、诊断和图像对比增强(79,80)。特别是,直径在5-20 nm之间的金纳米颗粒容易被细胞吸收,而不表现出显著的细胞毒性,可用作药物和基因递送的载体(81)
 
金纳米粒子的表面可以被硫醇化分子方便地功能化;例如,Rosi 等人报告了使用巯基修饰的ODN(82)的反义ODN-负载AuNP。用胺基修饰的AuNP表现出强烈的与DNA离子化相互作用的趋势,转染效率相对较高(83,84)。伯胺修饰的AuNP已被用作siRNA-PEG偶联物的另一种核心形成剂(图5a,e)(67)。由siRNA-PEG偶联物和带正电荷的AuNP形成的多重胶束的平均直径约为100 nm。多重胶束的核心含有大约10个AuNP。
 
相比之下,用未修饰的siRNA制备的复合物形成微米大小的聚集体。由于被负电荷稳定的金纳米粒对离子强度或pH值的改变非常敏感,这会诱导电荷中性以及聚集(83),因此在与siRNA络合后,金纳米粒周围的中性PEG外壳对空间稳定尤其关键。AuNP/siRNA-PEG胶束使GFP基因表达降低了80%以上,未检测到细胞毒性。

 

(4)阳离子脂质

 

有许多市售阳离子脂质制剂用作体外基因传递的转染试剂,包括Lipofectamine

(Invitrogen)、Oligofectamine(Invitrogen)和Lipofectin(Qiagen)。然而,由于其胶体稳定性差和毒理学问题,仅有有限数量的阳离子脂质被成功用作体内siRNA递送的载体(85)。最近,低密度脂蛋白(LDL)模拟纳米颗粒称为固体脂质纳米颗粒(SLN),其表面经PEG修饰(图5a,f),显著改善了小鼠和非人灵长类动物中siRNA和靶向apoB基因沉默的药代动力学行为(86,87)

 

由于聚乙二醇化脂质体在临床上被批准用于多柔比星,因此其代表了在人体中进行siRNA递送的一种可行选择(88)。与裸SLN或SLN/siRNA复合物相比,siRNA-PEG偶联物吸附到SLN表面导致SLN/siRNA-PEG多重胶束具有高度稳定性(55)。SLN表面存在PEG层可通过防止血浆蛋白的非特异性吸附和减少颗粒间聚集提供稳定作用。在存在血清的情况下,空间稳定的SLN/siRNA-PEG多链胶束使癌细胞中GFP和VEGF的表达分别降低59%和54%。

 

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图5(a)siRNA-PEG偶联物与各种类型阳离子缩合试剂的多重胶束形成的示意图:(b)聚合物,(c)肽,(d)纳米凝胶,(e)金纳米颗粒,和(f)固体脂质纳米颗粒。

 

 

8、PEG-siRNA聚苯乙烯微球的体内应用

 

由于癌症是最常见和最难治愈的疾病之一,且具有独特的生理特性,因此癌症一直是基于纳米颗粒的药物递送系统最受欢迎的靶标之一。针对癌症治疗,也进行了大量关于siRNA递送系统开发的研究(89-93)。癌症发展通常涉及确定基因的异常过度表达,使得基因沉默方法在癌症治疗策略中可行性。

 

此外,由于肿瘤通常具有高度增殖特性,肿瘤内部新形成的脉管系统通常具有可使小纳米颗粒穿透进入肿瘤组织的渗漏结构,由于高度增殖肿瘤组织中缺乏淋巴引流,纳米颗粒可能会在肿瘤组织中蓄积。直径小于500 nm的纳米颗粒可通过假设的增强渗透和保留(EPR)效应实现被动肿瘤靶向(90)

最近,Kim等人在动物模型中使用siRNA-PEG多重胶束进行局部和全身癌症治疗(51)。将自组装的纳米多链胶束与靶向VEGF的治疗性siRNA结合,已知VEGF在肿瘤血管生成中发挥着至关重要的作用(91)。静脉给予多重胶束导致显著的肿瘤生长迟缓。该治疗在人前列腺癌(PC-3)异种移植瘤中抑制瘤内VEGF表达约40%。
特别是,体内荧光成像显示全身给药后,多重胶束的肿瘤蓄积增强。这可能归因于血液中多聚体胶束的循环时间延长,这可能使其通过EPR效应到达并在肿瘤中蓄积的机会增加。最近,据报道,PEI/siRNA-PEG多重胶束在体外通过三维实体瘤模型实现了高效渗透。这可能归因于位于胶束外具有高密度的柔性和亲水性PEG层,其允许纳米颗粒平滑渗透至人工细胞外基质中,最终促进其细胞摄取(92)。与单独使用VEGF-siRNA相比,含有VEGF-siRNA的多重胶束在3-D实体瘤模型的细胞层中表现出至少1.5倍的基因沉默。

9、PEG-siRNA聚苯乙烯微球的靶向递送

 

使用靶向给药系统是减少疾病部位以外器官或组织不良事件的理想策略,主要通过降低有效剂量。因此,大量的靶向基团,如生长因子、抗体、糖分子和肽,已被广泛研究以开发用于药物、基因和诊断成像剂的组织或细胞特异性递送系统(73,93)

 

尽管PEG化被认为是稳定和延长纳米颗粒循环的一种有吸引力的策略,但PEG化经常通过空间位阻效应降低PEG化纳米颗粒的细胞摄取,这与在降低血液成分吸附中观察到的现象相同(94)。在siRNA-PEG多链胶束表面引入靶向基团,通过受体介导的内吞作用改善细胞摄取,并增加靶标特异性。


与Oligofectamine配制的siRNA相比,PLL自组装的乳糖化PEG-siRNA(RecQL1靶向)对肝脏多细胞肿瘤球状体中肿瘤生长的抑制高出8倍(47)。当促黄体激素释放激素(LHRH)肽偶联到siRNA-PEG(siRNA-PEG-LHRH)PEG片段的远端末端时,PEI和siRNA-PEG-LHRH生成的多链胶束由于LHRH受体介导的内吞作用而表现出对癌细胞的增强递送(49)

 

作为基于多重胶束的siRNA递送的替代策略,使用具有内皮生长因子受体(EGFR)抗体的PEG化SLN作为siRNA-PEG的核心形成剂(图6)。在小鼠肿瘤异种移植模型中,全身给药后,EGFR抗体修饰的多链胶束表现出靶基因的显著基因沉默。结果表明,靶向性的基于多聚体胶束的siRNA递送系统可被认为是癌症基因治疗的候选物。

 

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图6(a)制备抗EGFR靶向固体脂质纳米粒(SLN)用于癌靶向输送siRNA-PEG结合物的示意图(b)在裸小鼠中表达荧光素酶的人肺腺癌PC9异种移植瘤的代表性生物发光图像。植入后第14天,小鼠静脉注射抗EGFR靶向的SLN/荧光素酶siRNA-PEG。插图显示了肿瘤异种移植物的伪彩色荧光图像。

 

 

 

结论

 

自初步证明哺乳动物细胞中siRNA沉默基因表达以来,RNAi技术已经取得了显著进展。(1)现在,siRNA已成为一种很有前景的研究工具,用于功能基因组学和无基因敲除动物体内疾病模型的研究,其昂贵且耗时较长。

 

此外,RNAi还可用于药物靶点验证,其中siRNA可能会急剧加速药物开发过程。因此,最初预期用于靶标验证的siRNA仅进行微小修饰即可应用于临床环境。虽然Elbashir等人之后仅用了3年时间就开始了使用基于siRNA的治疗药物的首个临床试验。siRNA治疗这两大年龄相关性黄斑变性的临床试验最近以失败告终。

 

尽管人们对一类新的治疗药物非常热衷,但siRNA药物在目标疾病中的疗效和作用持续时间仍存在许多问题。最近,许多关于siRNA递送系统开发的研究提供了理论上重要和商业上有用的结果。目前在siRNA递送方面取得的成功肯定受益于现有质粒DNA和反义ODNs基因递送技术所获得的科学经验。尽管在开发和优化siRNA递送方面已取得了长足的进展,但脱靶效应和免疫刺激等主要问题仍未解决。

 

此外,siRNA治疗的药代动力学和药效学关系必须进行充分的讨论和界定。此外,还存在质粒DNA或反义ODN未观察到的siRNA的典型特征。例如,短的双链siRNA提供了一个刚性结构,影响与阳离子聚合物静电相互作用形成复合物的完整性和稳定性(16)。因此,为了在临床环境中成功应用siRNA治疗,在考虑siRNA的独特性质并结合包括高转染效率、生物相容性和组织或细胞选择性递送等基本要求后,应精心设计递送系统。

 

参考文献

1. Elbashir SM, Harborth J, Lendeckel W, Yalcin A, Weber K, Tuschl T. Duplexes of 21-nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells. Nature. 2001;411:494–8.

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