AFM单分子力谱研究聚乙二醇修饰对类弹性蛋白多肽药物载体的靶向性及细胞内吞的影响

The interactions between cell membranes and drug carriers of chemotherapeutic compounds play a significant role in the anti-cancer effect of a controlled-release drug delivery system. Most of the nanoparticle-based drugs approved by the government agencies or being tested in clinical trials are modified by polyethylene glycol (PEG). The PEG modification can reduce reticuloendothelial system (RES) uptake and thus prolong the circulation time of the drug. Therefore, investigation of the impact of PEGylation on the interactions between the PEGlyted nanoparticles and the target cells is crucially important for the rational design of drug carriers. Recently, AFM-based single-molecule force spectroscopy (SMFS) has been widely used to investigate the inter- or intramolecular interactions in complicated biological systems including the live cell and bacterial surfaces. The AFM-based SMFS technique possesses a unique advantage that it allows the constant and dynamic probe of minute forces at the single-molecule level. In this project, we will design a PEGylated drug carrier based on elastin like polypeptide (ELP) micelles that are modified via prostate cancer targeting ligand (gastrin releasing peptide, GRP). The AFM-based SMFS will be utilized to investigate the dynamic interactions between an ELP-based micelle and the prostate cancer cell line PC-3. The effect of PEGylation on the binding (or uptake) of the micelle to the PC-3 cells will be investigated at the single-micelle level, which is envisioned to shed some light on the design of new and efficient drug delivery systems.

药物载体与细胞膜的相互作用影响着其靶向性与抗癌效果。为了降低药物载体的免疫原性反应并增加体内循环时间，已经上市和具有临床转化前景的纳米药物载体几乎全部经过聚乙二醇（PEG）修饰。因此，研究PEG修饰对药物载体与细胞膜之间连续、动态的相互作用的影响至关重要。然而，传统的研究方法难以对单个载体粒子进行研究，在呈现连续动态的实验过程方面更具难度。基于AFM的单分子力谱技术则可以弥补上述不足。该技术可以避免集群平均效应、捕获瞬态中间产物并呈现连续动态的实验过程。因此，本课题将构建PEG及前列腺癌细胞靶向分子（胃泌素释放肽，GRP）修饰的类弹性蛋白多肽胶束，利用AFM单分子力谱技术研究上述胶束靶向识别细胞膜表面受体并经由受体介导的细胞内吞进入细胞的连续、动态的过程。从单个粒子乃至单分子水平揭示PEG修饰对药物载体与细胞膜相互作用的影响规律，为药物载体的理性设计提供有益的参考。

从上世纪60年代开始，聚乙二醇(PEG)化被广泛用于各种药物传递系统的表面修饰。然而，聚乙二醇修饰对药物载体与细胞膜之间动态相互作用的影响的相关研究则极具挑战。因此，本文利用基于AFM的单分子力谱(SMFS)和力示踪技术，在单粒子水平系统地研究了聚乙二醇化类弹性蛋白多肽（ELP）胶束识别细胞膜表面受体并经由受体介导的细胞内吞进入细胞的过程。本项目制备了一种可以交联并进行胃泌素释放肽(GRP)靶向分子修饰和聚乙二醇化的类弹性蛋白多肽(ELP)胶束。ELP胶束可以在4-40℃的温度范围内稳定存在，有利于体内药物递送以及单颗粒水平的相关研究。我们通过AFM-SMFS定量测定了交联ELP胶束与肿瘤细胞表面GRP受体(GRPR)之间的结合力。结果表明，在胶束识别细胞膜受体时，PEG修饰可以显著提高胶束表面GRP配体与细胞膜GRP受体的特异性相互作用。随后，利用基于AFM单分子力谱的力示踪技术研究了上述胶束经由受体介导的细胞内吞进入细胞的过程。结果表明，在细胞内吞多肽胶束的过程中，PEG修饰通过屏蔽内吞过程的非特异性相互作用，因而降低了多肽胶束的内吞力及内吞深度。该研究从单个粒子水平揭示PEG修饰对药物载体与细胞膜相互作用的影响，为药物载体的理性设计提供了有益参考。本项目的研究结果解释了聚乙二醇化在纳米药物载体与细胞膜相互作用中的多样化和复杂的作用，为基于主动和被动靶向策略的药物传递系统的设计提供理论依据。