發(fā)布日期：2017-03-20
想象一下未來某天一個病人去醫(yī)院檢查，確診后醫(yī)生為了確定適合他 / 她的納米藥物，就先給他 / 她注射了小劑量的包含數(shù)百種納米藥物的混合液，第二天從病變區(qū)取出組織進行檢測，隨后便確定最適合的納米藥物并進行治療……聽上去似乎有點天方夜譚，但是研究人員的最新研究卻正在向著這樣的個性化治療目標邁進，他們利用了一種叫做 DNA 條形碼的技術進行納米藥物的篩選，以期實現(xiàn)個性化治療。那么 DNA 條形碼是什么呢？事實上，DNA 條形碼就是一段核苷酸序列，可以通過 PCR 進行擴增以及基因測序的方法進行解碼。通過使用 DNA 條形碼標記納米藥物，研究人員可以找出最佳的治療藥物以及確定不同納米顆粒的分布。
2016 年底，來自以色列理工學院的 Avi Schroeder 教授課題組在 Nature Communications 上發(fā)表了一篇有關抗腫瘤納米藥物個性化治療的研究論文，他們采用了 DNA 條形碼技術對包載不同抗癌藥物的脂質體納米藥物的抗癌療效進行了預測及驗證 [1]。
目前臨床使用的抗癌藥物篩選主要通過取出病人腫瘤組織進行體外培養(yǎng)或者移植到免疫缺陷小鼠身上，然后再測試藥物敏感性，但是由于腫瘤環(huán)境的復雜性，這種方法耗時久、操作復雜、準確率不高。為了解決這些問題，Schroeder 等人提出了使用 DNA 條形碼這一技術在單細胞層面來標記、追蹤和評估納米抗癌藥物的效果。
圖 1. DNA 條形碼技術預測不同納米藥物抗癌療效流程圖。圖片來源：Nat. Commun.
因為脂質體納米藥物已經在臨床使用，可以有效富集到腫瘤組織提高藥物抗癌療效，研究人員用脂質體裝載不同抗癌藥物以及相應的 DNA 條形碼（50-120 對堿基對的 DNA 序列），形成多種 100 nm 納米顆粒。他們選擇了三種臨床使用的治療三陰性乳腺癌（TNBC）的藥物（阿霉素、順鉑、吉西他濱）在小鼠身上進行了驗證，一個藥物對應一個條形碼，形成一個納米顆粒。通過體外細胞攝取實驗，他們發(fā)現(xiàn)這種 DNA 條形碼可以在單細胞水平進行檢測和定量分析（圖 2）。
圖 2. DNA 條形碼可以在單細胞水平進行檢測。圖片來源：Nat. Commun.
隨后，為了檢測這種條形碼納米顆粒是否可以預測抗癌藥物的抗癌療效，他們將 3 種包載不同藥物的脂質體及 2 個對照組脂質體（一個包載咖啡因、一個不包載化合物）混合在一起，按照低于臨床給藥劑量的 1 /1000 注射到生長 TNBC 的小鼠體內，48 小時后取出部分腫瘤組織并酶解為單細胞懸液，采用流式細胞術將死細胞、活細胞分開收集并制成細胞裂解液，提取其中的 DNA 條形碼進行擴增并定量檢測。
為了定義藥物的抗癌療效，他們將死細胞中含量高的藥物定義為療效好的藥物，活細胞中含量高的藥物定義為療效差的藥物，以死細胞中的某個 DNA 條形碼含量 / 活細胞中的該 DNA 條形碼含量定義細胞對藥物的敏感性，比值越高表明細胞對該藥敏感性越高，亦即該藥療效越好。結果發(fā)現(xiàn)吉西他濱對應的 DNA 條形碼在死細胞中的含量遠高于在活細胞中的含量，這意味著吉西他濱的抗癌療效最好（圖 3）。那么事實上是不是這樣的呢？
圖 3. 使用條形碼納米顆粒預測多種藥物的抗癌療效。圖片來源：Nat. Commun.
為了驗證條形碼納米顆粒的預測結果是否準確，他們進行了小鼠治療實驗。結果如圖 4 所示，吉西他濱的治療效果果然是最好的：腫瘤體積、質量均為最小，腫瘤中細胞凋亡數(shù)量也最多。這表明 DNA 條形碼納米顆粒是快速預測抗癌藥物抗癌療效的有效診斷技術，檢測所需時間短、操作簡單、準確率高。
圖 4. 不同納米藥物的抗癌療效與預測結果高度吻合。圖片來源：Nat. Commun.
Schroeder 教授認為這種新技術不僅有助于篩選最佳抗癌藥物，還為研究腫瘤對不同藥物的耐藥性提供了新方法。同時，他也說道：“我的想法更實際：我們的研究能夠如何幫助病人呢？目前的研究結果讓我很興奮，但是我們還需要做更多工作將我們的技術發(fā)展成為公眾唾手可得的產品，但是我相信在不久的將來這項技術一定可以進入臨床。”
盡管如此，對于納米藥物而言，藥物的體內篩選固然很重要，但是納米顆粒性質的體內篩選或許更重要，因為納米顆粒的性質決定了納米藥物在各個組織器官中的富集量，這也就直接決定了藥物療效及副作用。同時，納米顆粒性質的體內篩選更加繁瑣，因為納米顆粒的組成不僅涉及組成分子的種類不同，還涉及相應分子的分子量、親疏水鏈段比例、不同組分比例等等，數(shù)量之多，數(shù)不盡數(shù)！因此要進行體內篩選實在是耗時耗力耗小鼠，篩不起啊。
為此，來自佛羅里達大學、佐治亞理工學院和麻省理工學院的研究人員采用相似的原理和方法成功解決了納米顆粒體內篩選的問題，實現(xiàn)了快速高通量篩選。他們的實驗結果表明利用 DNA 條形碼技術可以在一只小鼠體內同時篩選 30 種納米顆粒，快速準確地比較不同納米顆粒不同時間在不同器官中的富集量，同時實驗結果重復性很好，因此極大地節(jié)省了篩選所需資源（尤其是實驗動物資源），相關研究成果于今年 2 月發(fā)表在 PNAS 上，通訊作者包括大家熟知的大神 Robert Langer 教授 [2]。
圖 5. 利用 DNA 條形碼高通量篩選納米顆粒的流程示意圖。圖片來源：PNAS
毫無疑問，DNA 條形碼技術將為納米藥物的發(fā)展帶來巨大的進展，為藥物及納米顆粒的快速準確篩選帶來了希望，允許研究人員在臨床給藥劑量的 1 /1000 以下水平同時進行多種藥物、多種性質納米顆粒的體內定量研究。如果再結合上微流控納米顆粒制備技術，納米顆粒從制備到篩選將不再是問題，這勢必將加速納米藥物的開發(fā)和優(yōu)化，促進納米藥物的臨床轉化。
參考文獻：
1. Yaari Z, Da Silva D, Zinger A, et al. Theranostic barcoded nanoparticles for personalized cancer medicine. Nat. Commun., 2016, 7, 13325, DOI: 10.1038/ncomms13325
2． Dahlman J E, Kauffman K J, Xing Y, et al. Barcoded nanoparticles for high throughput in vivo discovery of targeted therapeutics.PNAS, 2017, 114, 2060-2065, DOI: 10.1073/pnas.1620874114
來源：X-MOL
