Carbohydr.Polym.：老葯新用！二甲雙胍智能給葯有望對抗乳腺癌
乳腺癌是世界女性中最常見的癌症，化療是乳腺癌的常見治療方法之一。治療二型糖尿病最常用的藥物二甲雙胍，近年來被證明具有抗腫瘤作用。但目前癌症研究中的二甲雙胍劑量通常超過人類可行的治療血漿水平，因此實現二甲雙胍的響應性釋放是非常重要的。
為此，來自暨南大學李立華教授團隊為了實現二甲雙胍在腫瘤酸性微環境中的pH響應性釋放，通過亞胺鍵將二甲雙胍(Met)共價接枝到氧化透明質酸(OHA)上，製備了OHA-Met，然後製備了羧甲基殼聚糖(CMCS)/OHA-Met載藥水凝膠。水凝膠可以實現腫瘤切除部位的局部注XX和pH響應性智能給葯，抑制乳腺癌複發。
相關研究成果以「An injectable and pH-responsive hyaluronic acid hydrogel as metformin carrier for prevention of breast cancer recurrence」為題于2022年12月24日發表在《Carbohydr. Polym.》上。
圖1 作為二甲雙胍載體的可注XXpH響應性水凝膠的製備及應用
1. 水凝膠的形成
CMCS/OHA和CMCS/OHA-Met水凝膠通過CMCS的氨基與OHA和OHA-Met的醛基之間的動態亞胺鍵形成（圖1）。凝膠化時間是可注XX水凝膠的一個重要指標，由小瓶倒置法和流變學確定。小瓶倒置試驗顯示CMCS/OHA、CMCS/OHA-Met5、CMCS/OHA-Met10和CMCS/OHA-Met20水凝膠的膠凝時間分別為280、305、330和463 s（圖2）。
圖2 水凝膠的形成和凝膠化時間
2. 水凝膠的物理性質
之後作者對水凝膠的溶脹率、吸水率和機械強度分別進行了表徵，因為這些特性在腫瘤切除后的組織修復中有著重要的作用。首先，所有水凝膠都在24 h內達到溶脹平衡，CMCS/OHA-Met20水凝膠的溶脹比最高(129 %)，CMCS/OHA水凝膠的溶脹比最低(110 %)，其他水凝膠的溶脹比相似(約120 %)(圖3A)；吸水性測試也得到了了類似的結果，即CMCS/OHA-Met20水凝膠吸水性最高；SEM表明CMCS/OHA-Met20水凝膠具有更大的孔徑進一步解釋了其溶脹率和吸水率最高的原因（圖3E）。
此外，作者還研究了CMCS/OHA-Met水凝膠的pH響應性藥物釋放，在生理pH值(pH=7.4)和腫瘤酸性微環境(p =5.5)下測量了載有二甲雙胍的CMCS/OHA-Met水凝膠的藥物釋放(圖3c)。結果表明二甲雙胍鏈接通過亞胺鍵可以通過酸響應性裂解亞胺鍵智能釋放二甲雙胍，同時保證其活性。
圖3 水凝膠的物理性質
從應力-應變曲線來看，所有水凝膠都具有良好的機械性能和抗壓強度(圖4)。水凝膠的抗壓強度隨著二甲雙胍含量的增加而降低，CMCS/OHA的抗壓強度最高，CMCS/OHA-Met20的抗壓強度最低。隨著循環壓縮數的增加，所有水凝膠的壓縮強度都降低。此外，CMCS/OHA水凝膠在五次壓縮循環后的變形損失率為16.0 %，其餘水凝膠的變形損失率為10.0 %，這也表明水凝膠具有良好的回彈性。
圖4 水凝膠的機械性能
MCF-7細胞經常用於乳腺癌研究。根據用二甲雙胍處理的MCF-7細胞的細胞活力的結果，細胞活力隨著二甲雙胍含量和處理時間的增加而降低（圖5A）。進一步的活-死染色分析還顯示，MCF-7細胞的細胞活力隨著二甲雙胍含量和處理時間的增加而降低（圖5B），二甲雙胍的抗腫瘤作用有明顯的劑量依賴關係。
此外，L929細胞的活-死染色照片也顯示，隨著二甲雙胍濃度的增加，細胞密度顯著降低(圖5E)，但水凝膠負載二甲雙胍可以大大降低對正常L929細胞的毒性和副作用(圖5G-H)，這說明負載二甲雙胍的CMCS/OHA-Met水凝膠保留了抗腫瘤活性，同時降低了對正常細胞的毒性和副作用。
圖5 二甲雙胍和水凝膠的細胞毒性
4. 體內抗腫瘤活性
根據細胞毒性實驗，CMCS/OHA-Met20水凝膠的抗腫瘤效果最好。因此，足總和選擇其作為載藥水凝膠，進一步探索其在體內的抗腫瘤作用（圖6）。將帶有腫瘤的小鼠分成四組，分別用PBS、CMCS/OHA、Met和CMCS/OHA-Met20處理。在第28天的實驗結束時，PBS、CMCS/OHA、Met和CMCS/OHA-Met20組中小鼠的存活率分別為20%、40%、80%和100 %（圖6B）；通過切除複發的腫瘤，並測量腫瘤重量和體積，可以看出PBS和CMCS/OHA組的腫瘤複發率相對較高，而CMCS/OHA-Met20組的腫瘤複發率最低。
也就是說，CMCS/OHA-Met20組抗腫瘤效果優於其他組，說明CMCS/OHA-Met20水凝膠可持續釋放二甲雙胍抑制腫瘤再生。雖然CMCS/OHA-Met20治療小鼠的最終腫瘤複發率達到20%，但這可能通過增加水凝膠的二甲雙胍負載來抑制腫瘤複發來解決。最後，為了驗證PBS、CMCS/OHA、Met和CMCS/OHA-Met20在體內的細胞毒性，作者對小鼠心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟進行了組織學分析以進一步驗證其抗腫瘤作用和全身副作用(圖6)。
圖6 體內抗腫瘤活性
綜上，本文為了實現二甲雙胍在腫瘤酸性環境中的pH響應釋放，將Met通過亞胺鍵共價接枝到OHA上製備OHA-Met，再將OHA-Met的醛基與CMCS的氨基反應製備CMCS/OHA-Met載藥水凝膠。CMCS/OHA- Met水凝膠在酸性條件下能夠智能釋放二甲雙胍的同時，CMCS/OHA-Met水凝膠還具有良好的力學性能、細胞相容性和抗腫瘤活性。此外，CMCS/OHA-Met水凝膠可以直接注XX到小鼠體內，不僅可以修復缺陷組織，還可以殺死腫瘤細胞。與共價結合的二甲雙胍相比，CMCS/OHA-Met水凝膠可在腫瘤酸性微環境中智能釋放二甲雙胍，抑制乳腺癌複發。總的來說，CMCS/OHA-Met水凝膠有利於二甲雙胍pH響應性釋放，在預防乳腺癌切除複發和組織修復領域具有廣闊的應用前景。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120493