北京大学张强/汪贻广/代文兵团队开发纳米

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

蛋白靶向降解嵌合体（PROTAC）是近年来蓬勃发展的新兴蛋白质降解策略，由 Craig Crews 等人于2001年率先提出，其基本原理是使用双功能小分子，通过泛素-蛋白酶体系统诱导靶蛋白的泛素化，进而实现靶蛋白降解。自2019年第一个靶向雄激素受体的PROTAC降解剂ARV-110进入临床研究以来，PROTAC领域进入快速发展期。

PROTAC的出现彻底改变了癌症治疗领域，提供了一种选择性降解肿瘤相关蛋白的创新方法。与传统的小分子抑制剂相比，PROTAC具有显著优势，包括催化性质、避免耐药性以及能够靶向不可成药蛋白。然而，由于其固有的局限性（例如不理想的药代动力学特性和不充分的细胞内化），大多数PROTAC药物在临床开发中受到限制。因此，获得更有效的肿瘤递送和强大的抗肿瘤疗效仍然是PROTAC面临的重大挑战。

2024年10月18日，北京大学张强院士、汪贻广教授及代文兵副教授等在 Signal Transduction and Targeted Therapy 期刊发表了题为：Sequential responsive nano-PROTACs for precise intracellular delivery and enhanced degradation efficacy in colorectal cancer therapy（实现精准胞内递送和蛋白降解效果增强的程序响应纳米PROTACs用于结直肠癌治疗）的研究论文。

该研究设计了一种顺序响应纳米递送系统，实现了PROTAC在细胞内的精确递送，解决了PROTAC的递送难题，并为结直肠癌（CRC）的靶向联合治疗提供了一种有希望的治疗策略。

纳米技术被用于解决PROTAC的递送问题。针对肿瘤靶向递送PROTAC的纳米递送系统通常包括以下三个阶段：

1、从血液循环进入肿瘤部位的累积；

2、深入肿瘤内部；

3、 肿瘤细胞内的吸收和细胞内释放至作用位点。

通过增强渗透和保留效应（EPR效应）和纳米颗粒配体修饰，可以实现被动肿瘤富集和增强细胞摄取PROTAC。此外，研究人员还做了许多努力来进一步提高PROTAC的循环稳定性和肿瘤穿透能力，并引入其他治疗模式进行联合治疗。

值得注意的是，PROTAC主要在肿瘤细胞质中发挥作用。如果药物在细胞外空间释放，仍然很难克服PROTAC的固有限制。为了最大限度地提高PROTAC在作用部位的暴露，似乎有必要设计一种合理的递送系统，以实现PROTAC的长时间循环、肿瘤穿透、细胞内化和细胞内释放。然而，目前还没有任何已报道的系统能满足所有这些要求。

该团队之前开发了一种pH超敏感（UPS）纳米技术，并在图像引导外科切除和肿瘤特异性药物递送等生物医学应用中展示了其多功能性。这些UPS分子在循环过程中保持其结构完整性，并在pH发生微小变化时（pH变化量<0.25）立即解离成更小的单体。这种特性已被证明对于延长药物在体内的循环时间、靶向肿瘤以及提高药物穿透能力的药物递送系统非常有利。

在实体瘤中，癌细胞高糖酵解活性（Warburg效应）以及较差的血管灌注导致酸性代谢产物过度积累，从而形成酸性肿瘤微环境（pH=6.5-7.0）。肿瘤微环境中的酸性环境不仅影响肿瘤进展，还被用来设计基于pH响应的PROTAC递送系统。研究团队利用一种Gly-Phe-Leu-Gly（GFLG）四肽，它可以被在溶酶体中高度表达的组织蛋白酶B（cathepsin B）切割，作为连接PROTAC的响应性连接子（responsive linker）。这样的设计促进了内化的纳米颗粒在响应组织蛋白酶B时在细胞内释放PROTAC，进一步增强了PROTAC在其作用位点的暴露。

结直肠癌（CRC）是第三大常见恶性肿瘤。对于大多数结直肠癌患者而言，包括免疫检查点阻断剂（ICB）在内的许多治疗方法未能取得显著疗效，可能与肿瘤中免疫细胞浸润少、调节性T细胞（Treg）等免疫抑制细胞增多以及程序性死亡受体配体1 （PD-L1）丰度低有关。

近年来有关其联合治疗的研究表明其具有提高抗肿瘤活性的可能性。细胞周期控制在恶性肿瘤中经常失调。细胞周期蛋白依赖激酶4/6 （CDK4/6）在细胞分裂的G1期向S期转化过程中发挥重要作用。CDK4/6的小分子抑制剂（例如哌柏西利）已被批准用于转移性激素受体阳性乳腺癌，目前正在进行治疗结直肠癌的临床试验。然而，使用这些抑制剂时观察到获得性耐药和CDK4/6表达的代偿性增加。因此，用CDK4/6靶向的PROTAC替代小分子抑制剂可能是避免耐药的解决方案。

在这项最新研究中，研究团队合成了靶向CDK4/6的PROTAC用于结直肠癌的治疗，然后设计并制备了PROTAC偶联和pH/组织蛋白酶B顺序响应纳米颗粒（PROTAC-conjugated pH/cathepsin B sequential responsive nanoparticles，PSRN）。

PSRN由二嵌段共聚物（PEG-b-P(EPA-r-PROTAC)）组装，其中PROTAC通过组织蛋白酶B响应序列（GFLG四肽）偶联到共聚物上。静脉给药后，PSRN在循环系统中保持其纳米结构（直径为40纳米），并通过增强的渗透和滞留效应有效地在肿瘤中积累。当PSRN在肿瘤部位聚集后，PSRN在酸性的肿瘤微环境中分解成单聚体（直径小于10纳米）。PROTAC被肿瘤细胞内化后，通过溶酶体中组织蛋白酶B的裂解在细胞内释放。因此，PSRN克服了多种生物屏障并将PROTAC递送到其活性位点。一方面，抑制CDK4/6有望通过上调PD-L1水平和减少免疫抑制性的调节性T细胞（Treg）群来增加结直肠癌对免疫检查点阻断剂（ICB）的敏感性。另一方面，抑制CDK4/6实现了强大的抗肿瘤疗效。

在这项研究中，考虑到PSRN具有抗肿瘤和免疫效应，研究团队探索了PSRN联合ICB在结直肠癌肿瘤模型中的治疗潜力，结果显示，其与抗PD-1单抗联用可显著增强抗肿瘤效果。

总的来说，该研究设计了一种顺序响应纳米递送系统，实现了PROTAC在细胞内的精确递送，解决了PROTAC的递送难题，并为结直肠癌的靶向联合治疗提供了一种有希望的治疗策略。

北京大学药学院张强院士、汪贻广教授和代文兵副教授为论文共同通讯作者。北京大学药学院2020级博士生杨柳青和2019级直博生杨晔为论文共同第一作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41392-024-01983-1

阅读原文