纳米磷酸钙携载药物与肿瘤类器官的相互作用研究

Safety and efficacy of drug delivery are the key factors in the success of cancer therapy, however, the drug carrier behavior of degradation and drug release in vivo are still a major problem which inbibit its clinical researh and usage. To address the problems, calcium phosphate nanoparticles with different material characteristics will be specially designed and modified by LGR5, a specific gastrointestinal cancer cell monoclonal antibody, and then, the modified CaP was injected into the gastrointestinal cancer organoid, such as liver organoid or intestinal organoid, after loading doxorubicin, which can be used to investigate the differences and mechanism of the behavior of degradation, drug release ex vivo. Through the organoid evaluation, we systematically investigate the difference of calcium phosphate delivering the DOX and correlation effects between the characteristics of materials, like size, shape, crystalline phase, crystallinity and surface charge. Furthermore, the multi-drug resistant tumor suppressor effect will aslo be investigated and its mechanism will be study deeply in organoid level. This study will provide useful information that the new durg delivery system for cancer therapy and strategies to search interaction among drug, vector and organoid.

纳米药物载体的安全性和有效性是其携载药物抗癌的关键。当前，纳米药物载体在肿瘤内的降解、药物缓释行为仍是阻碍其临床研究和使用的重要难题。本项目拟合成具有不同材料特征（尺寸、形貌、结晶度、表面修饰）的纳米磷酸钙，采用消化道肿瘤特异性抗体LGR5对其进行表面修饰，研究不同材料性质的纳米磷酸钙在正常器官来源和肿瘤组织来源的类器官（organoid）内的生物降解性、安全性，研究其作为药物载体介导抗癌药物阿霉素（DOX）在肝脏和肠道organoids中的药物释放行为及其差异。结合动物实验，研究纳米磷酸钙在耐药肿瘤organoids内的抑癌效果，阐明磷酸钙介导DOX克服肿瘤耐药的机制及其与材料性质的关联效应。本项目不仅为药物载体可行性研究提供高水平科学依据，同时在探索无机纳米载体介导药物释放的有效机制、药物-载体-organoid互作等方面具有重要理论意义。

纳米药物载体的安全性和有效性是其携载药物抗癌的关键。本项目首先制备了磷酸钙纳米棒（一种长径为30-40 nm，短径约10 nm；另一种长径约为60 nm，平均短径为20 nm）、针状（长径约为250 nm，短径约为30 nm）及中空磷酸钙（直径分别约为80 nm、200 nm）等纳米材料，研究了反应体系、调控分子浓度、pH等参数对材料制备的影响作用。其次，我们成功构建了小鼠源及人源的肠道与肝脏类器官，为减低类器官培养成本，设计开发了基于海藻酸钠的培养基质，实现了类器官的稳定培养与传代。.中空球形磷酸钙与阿霉素复合形成磷酸钙复合药物（HAp/Dox）与类器官共培养时，复合药物浓度达到40 μg/mL时，可显著诱导类器官中细胞死亡；浓度大于60 μg/mL时，可杀灭类器官中细胞，显示类器官模型用于微纳米药物载体安全性评价的重要潜力。.将磷酸钙微纳米粒子与2D肠上皮细胞Caco-2和3D小鼠小肠类器官分别共培养，研究了针状HAp（平均长径250 nm、短径为30 nm）和棒状HAp（平均长径60 nm、短径为20 nm）在细胞和类器官水平的生物安全性，研究结果表明针状和棒状HAp浓度为1000 μg/mL时对类器官活力均无显著影响。其中针状HAp与类器官共培养3 d后的qPCR检测结果表明，小肠类器官含有Lgr5阳性干细胞及其分化而来的肠上皮细胞、杯状细胞、肠内分泌细胞和潘氏细胞等细胞类型，且低浓度HAp促进肠分泌型细胞（杯状细胞、肠内分泌细胞）分化，高浓度HAp则抑制肠干细胞增殖与分化。表明类器官模型优于2D细胞模型，可有效评价纳米材料对干细胞分化水平的影响，在同一模型中揭示纳米材料与不同类型细胞水平的相互作用。.我们还基于类器官模型开展了毒性纳米粒子与药物评价研究，发现高浓度（400 μg/mL）CuO纳米粒子与类器官共培养48 h后，细胞骨架蛋白部分损伤，其产生的毒性损伤具有浓度和时间依赖性；经过类器官模型评价，发现0.5-1.0 mM盐酸二甲双胍具有抗病毒作用，可显著抑制轮状病毒基因表达。研究结果为生物医用材料的安全有效合成及生物医药的安全有效评价提供了实验依据。