多倫多大學(xué)的Warren C. W. Chan團(tuán)隊(duì)致力于提高藥物向腫瘤的遞送效率，2020年初，他們探討了納米顆粒的腫瘤滲透現(xiàn)象，并對(duì)納米粒子進(jìn)入實(shí)體腫瘤的機(jī)制提出了質(zhì)疑，公認(rèn)的EPR效應(yīng)并不能很好解釋納米藥物在腫瘤部位的富集現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)胞吞作用可能是主要機(jī)制。他們提倡要進(jìn)行基礎(chǔ)研究，正所謂大道至簡(jiǎn)。近期，他們又在Nature Materials刊文，發(fā)現(xiàn)給藥劑量閾值在提高納米藥物向腫瘤的遞送效率起到關(guān)鍵作用，論文題目為“The dose threshold for nanoparticle tumour delivery”。通過(guò)簡(jiǎn)單的提高納米藥物劑量就能實(shí)現(xiàn)更多的腫瘤富集和更好的治療效果。
納米藥物的發(fā)展為腫瘤治療帶來(lái)了不可估量的前景，但是目前只有十種納米藥物通過(guò)了FDA的審批。研究表明，只有0.7%的納米藥物能夠到達(dá)腫瘤部位，這極低的遞送效率無(wú)疑阻礙了納米藥物的臨床發(fā)展。傳統(tǒng)的對(duì)納米藥物的尺寸、形貌、表面化學(xué)等的調(diào)控也只能有限的提高遞送效率，因此，很需要發(fā)展一種通用的方法有效提高納米藥物向腫瘤的遞送效率。
Warren C. W. Chan團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)納米藥物遞送存在劑量閾值，必須打破這個(gè)劑量閾值才能實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的、有效的藥物遞送。這個(gè)閾值存在于Kupffer細(xì)胞吸收納米顆粒的動(dòng)力學(xué)極限，而不是它們的總?cè)萘俊?/p>
肝臟清除的劑量閾值
肝臟是最大的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)器官，在治療過(guò)程種會(huì)攝取大量的納米藥物并將其清除。作者假設(shè)，一旦給藥劑量超過(guò)Kupffer細(xì)胞對(duì)納米藥物的最大攝取速率，那么被肝臟攝取的納米藥物的比例將會(huì)降低。于是作者給長(zhǎng)瘤的小鼠注射劑量跨越三個(gè)數(shù)量級(jí)（500億到50萬(wàn)億）的納米藥物，發(fā)現(xiàn)增加給藥劑量能明顯延長(zhǎng)納米藥物的血液半衰期（2 min增加到8 h），說(shuō)明高劑量藥物能明顯降低肝臟清除效率。
為了探究潛在的劑量閾值，作者研究了肝細(xì)胞能夠攝取24 h以上的納米粒子的數(shù)量。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)閾值不是由于Kupffer細(xì)胞死亡（研究的劑量范圍內(nèi)沒(méi)有觀察到肝細(xì)胞毒性），并且與加速血液清除率現(xiàn)象無(wú)關(guān)。在24小時(shí)內(nèi)，超過(guò)1萬(wàn)億納米顆粒的單次劑量，Kupffer細(xì)胞的攝取基本上受到限制。
劑量閾值在Kupffer細(xì)胞中的作用機(jī)制
給藥30?min后的活體成像表明，巨噬細(xì)胞的攝取能力并未達(dá)到飽和，這與之前研究的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)阻斷（假設(shè)必須通過(guò)治療前注射使容量飽和，以減少第二劑量治療性納米藥物的清除）相反，大量超過(guò)閾值的納米藥物通過(guò)超越Kupffer細(xì)胞攝取速率而不是攝取能力而影響肝臟清除。
隨后，作者研究了三個(gè)通用的Kupffer細(xì)胞的攝取通路（網(wǎng)格蛋白和小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用、大胞飲作用和受體介導(dǎo)的吞噬作用）以理解高于閾值的給藥劑量是如何超越攝取速率的。作者首先排除了小泡或網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，因?yàn)檫@些小泡在Kupffer細(xì)胞中通常不會(huì)攝取大于35 nm的粒子。然后通過(guò)與大胞飲標(biāo)記物右旋糖苷的熒光對(duì)比，也排除了大胞飲過(guò)程。因此作者猜測(cè)Kupffer細(xì)胞攝取納米粒子是通過(guò)受體介導(dǎo)的吞噬作用。注射納米粒子15 min后，低劑量的納米粒子只能勾勒出輪廓，而高劑量注射的納米粒子集中分布在管腔內(nèi)，表明高劑量給藥影響了受體和血竇壁的結(jié)合位點(diǎn)。作者總結(jié)，納米粒子的劑量閾值與Kupffer細(xì)胞上可用受體的數(shù)量和結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)。具體的受體在未來(lái)的工作種仍有待確定。超過(guò)這個(gè)有效結(jié)合位點(diǎn)閾值的劑量會(huì)使Kupffer細(xì)胞的吸收速率過(guò)大，肝臟清除率降低，循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)。
超過(guò)閾值的腫瘤遞送
然后作者研究了腫瘤遞送效率和納米粒子個(gè)數(shù)的關(guān)系，以評(píng)估劑量閾值，并確定超過(guò)該閾值的給藥特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加納米粒子給藥劑量，向腫瘤遞送的粒子明顯增多，肝臟富集相應(yīng)降低。作者還比較了高于閾值的單次劑量與低于閾值的多劑量給藥（總給藥量相同）的生物分布，以測(cè)試這種效應(yīng)是否會(huì)累積。結(jié)果表明，盡管兩組納米粒子總數(shù)相同，但單次大劑量給藥的肝臟蓄積減少，循環(huán)半衰期增加，腫瘤釋放量增加。腫瘤遞送效率在最低注射劑量時(shí)為0.03%，在最高劑量時(shí)為12%。這與高劑量納米粒子超過(guò)肝臟攝取速率而不是絕對(duì)攝取能力的原則是一致的。這些結(jié)果證實(shí)了單次注射超過(guò)1萬(wàn)億納米粒子的閾值可以改善腫瘤的傳遞。
作者對(duì)于研究者這么晚才發(fā)現(xiàn)給藥劑量閾值這一概念感到十分驚訝，畢竟給藥效率在治療過(guò)程中式如此重要。這可能也源于研究者普遍只報(bào)道了低劑量給藥。在典型的納米粒子尺寸依賴性研究中，劑量被歸一化到表面積或質(zhì)量，這導(dǎo)致了更小的納米粒子數(shù)量的增加。當(dāng)我們以表面積或質(zhì)量為單位對(duì)劑量進(jìn)行歸一化時(shí)，閾值變得模糊，劑量與腫瘤遞送的相關(guān)性顯著下降，腫瘤和肝臟中出現(xiàn)了大小依賴的積累。這表明納米粒子的劑量在大小依賴研究中可能是一個(gè)混雜變量，它被歸一化指標(biāo)的選擇所隱藏。而按納米粒子數(shù)量計(jì)算的劑量可能比納米粒子大小更合適。
腫瘤細(xì)胞傳遞超過(guò)閾值劑量
作者還研究了增加劑量和遞送對(duì)腫瘤中納米粒子與細(xì)胞相互作用的影響。藥物向細(xì)胞的不完全遞送是一個(gè)普遍的局限性，原因之一是藥物很難在遠(yuǎn)端擴(kuò)散。作者假設(shè)，更高的遞送效率會(huì)導(dǎo)致腫瘤中更大的納米顆粒子濃度梯度，從而最終促進(jìn)更多的細(xì)胞相互作用。于是作者對(duì)靠近血管的納米粒子進(jìn)行成像，觀察到超過(guò)萬(wàn)億閾值的高劑量的納米粒子分布在更遠(yuǎn)的血管和更深的腫瘤組織中，并且93%的肝臟細(xì)胞都攝取了高劑量納米粒子。而低于閾值的納米粒子(0.2萬(wàn)億)稀疏地分布在腫瘤組織中，只有0.7%的細(xì)胞將其內(nèi)化。
高于給藥閾值提高治療效果
為了解決納米粒子數(shù)量與藥物劑量之間的關(guān)系，作者選擇良性填充納米粒子增加納米粒子數(shù)量，而不增加活性藥物的劑量。他們比較了兩個(gè)接受相同劑量的治療性納米粒子的4T1荷瘤小鼠組，但實(shí)驗(yàn)組同時(shí)接受額外劑量的給藥增強(qiáng)劑。兩組小鼠都接受了超過(guò)1萬(wàn)億的納米顆粒，以確保顯著的劑量依賴性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)小鼠的阿霉素血清和腫瘤水平更高，陽(yáng)性細(xì)胞核數(shù)量更多，腫瘤體積減小57%，生存期延長(zhǎng)29%，治療效果明顯優(yōu)于對(duì)照組。
同時(shí)作者還發(fā)現(xiàn)，Kupffer細(xì)胞是一個(gè)異質(zhì)性群體，每個(gè)細(xì)胞清除特定的納米粒子類型。劑量閾值原理比網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)阻斷技術(shù)更有效?？偟膩?lái)說(shuō)，納米粒子的劑量超過(guò)閾值直接提高治療效果，而不依賴于活性藥物的劑量。
1萬(wàn)億的閾值在所有文獻(xiàn)中都存在
作者在40份出版物中成功地按粒子數(shù)重新計(jì)算了納米顆粒的劑量，獲得了67個(gè)總劑量和給藥數(shù)據(jù)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)按納米粒子數(shù)計(jì)算的劑量與給藥量相關(guān)。這些論文中使用的中位劑量是1.2萬(wàn)億納米粒子，接近實(shí)驗(yàn)中觀察到的1萬(wàn)億閾值。高于該閾值劑量的文獻(xiàn)明顯多于低于該閾值劑量的文獻(xiàn)。作者進(jìn)一步將這些數(shù)據(jù)分為無(wú)機(jī)和有機(jī)、被動(dòng)和主動(dòng)、小(≤50納米)和大(>50納米)納米粒子，并觀察到該閾值在所有亞類都持續(xù)存在。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了按數(shù)量計(jì)算的納米粒子劑量與腫瘤給藥之間的關(guān)系是重要的，但迄今為止，尚未實(shí)現(xiàn)。作者也敦促科研人員考慮使用高于閾值劑量的納米粒子進(jìn)行給藥。
臨床納米藥物的探討
目前用于人體的納米顆粒給藥標(biāo)準(zhǔn)與小分子藥物相同，根據(jù)活性藥物的量分配劑量。例如，Caelyx的推薦劑量是每平方米50毫克阿霉素，而沒(méi)有提及納米粒子的當(dāng)量劑量。納米粒子或活性藥物成分的適當(dāng)度量是有爭(zhēng)議的。根據(jù)質(zhì)量推斷，并假設(shè)Kupffer細(xì)胞密度和活性與小鼠相似，人類納米粒子的劑量應(yīng)該超過(guò)1500萬(wàn)億納米顆粒的閾值才能實(shí)現(xiàn)有效的腫瘤遞送。Caelyx、Myocet和Onivyde等成功的臨床納米粒子的典型劑量超過(guò)了這一閾值，分別達(dá)到8.6、1.7和1.9萬(wàn)億。
小結(jié)
作者發(fā)現(xiàn)了一種納米粒子數(shù)目閾值劑量，可以改善納米顆粒給藥和治療。1萬(wàn)億納米粒子的一般閾值使肝臟不堪重負(fù)，并在小鼠身上將注射劑量的12%最大化到腫瘤。這一特定值可能因納米粒子設(shè)計(jì)和體內(nèi)種類而異，但它形成了大于1萬(wàn)億納米粒子的基本劑量閾值概念。目前臨床批準(zhǔn)的抗腫瘤納米粒子制劑，如Caelyx/Doxil，可以采用增強(qiáng)遞送策略提高對(duì)實(shí)體腫瘤的治療效果。廣泛而仔細(xì)地評(píng)估納米粒子劑量與這一閾值，將提供一種強(qiáng)大的、通用的和簡(jiǎn)單的方法，以推進(jìn)新一代的給藥策略，成像、診斷和治療。
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