金ナノ粒子-オリゴヌクレオチドナノ構造体の頭頸部癌細胞への送達に基づく二重の放射線増感および抗STAT3抗増殖戦略

Dual radiosensitization and anti-STAT3 anti-proliferative strategy based on delivery of gold nanoparticle - oligonucleotide nanoconstructs to head and neck cancer cells.

• Surong Zhang
• Suresh Gupta
• Thomas J Fitzgerald
• Alexei A Bogdanov

抄録

定常的に活性化された転写3（STAT3）因子は、頭頸部癌（HNC）における重要な治療標的である。初期の有望な結果にもかかわらず、STAT3標的化オリゴヌクレオチド（ODN）薬のための信頼性の高い全身送達システムは、抗STAT3療法の将来の臨床応用のためにまだ必要である。我々は、治療用STAT3デコイ（STAT3d）ペイロードを運ぶ新規ODN二重/金ナノ粒子（AuNP）ベースのシステムを設計し、試験した。この戦略は、AuNPの相加的なSTAT3拮抗作用と放射線増感特性のため、2つの側面から成り立っている。頭頸部がん細胞表面への特異性は、細胞表面上の核タンパク質ヌクレオリンの異常提示を利用するためにAuNPに連結されたヌクレオリンアプタマー（NUAP）を使用することで付与されました。STAT3dとヌクレオリンアプタマー構築物は、独立してAu-S結合を介してAuNPに連結されていた。合成されたAuNP構築物（AuNP-NUAP-STAT3d）は、放射性標識STAT3dを使用して定量化された細胞内の内部化を示した。AuNP-NUAP-STAT3dは、フローサイトメトリーでγ-H2AXリン酸化レベルを測定することによって決定される細胞のDNA損傷の増加をもたらしたヒトHNC FaDu細胞培養実験において、放射線増感効果を示した。放射線感作研究はまた、AuNP-NUAP-STAT3dだけでなく、STAT3d単独では、A431細胞増殖の効率的な抑制をもたらしたことを実証した。FaDu細胞はAuNP-NUAP-STAT3dとインキュベートした後に瞬間的な増殖抑制を示さなかったが、これらの細胞の細胞DNA損傷は、放射線で処理した後、AuNP-NUAP-STAT3d群でほぼ50％の増加を示した。抗EGFRヒト化抗体（セツキシマブ）と比較して、AuNP-NUAP-STAT3d系は、A431細胞とFaDu細胞の両方において、全体的に強い放射線増感効果を有していた。

Constitutively activated signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) factor is an important therapeutic target in head and neck cancer (HNC). Despite early promising results, a reliable systemic delivery system for STAT3- targeted oligonucleotide (ODN) drugs is still needed for future clinical translation of anti-STAT3 therapies. We engineered and tested a novel ODN duplex/gold nanoparticle (AuNP)-based system carrying a therapeutic STAT3 decoy (STAT3d) payload. This strategy is two-pronged because of the additive STAT3 antagonism and radiosensitizing properties of AuNP. The specificity to head and neck cancer cell surface was imparted by using a nucleolin aptamer (NUAP) that was linked to AuNP for taking the advantage of an aberrant presentation of a nuclear protein nucleolin on the cell surface. STAT3d and nucleolin aptamer constructs were independently linked to AuNPs via Au-S bonds. The synthesized AuNP constructs (AuNP-NUAP-STAT3d) exhibited internalization in cells that was quantified by using radiolabeled STAT3d. AuNP-NUAP-STAT3d showed radiosensitizing effect in human HNC FaDu cell culture experiments that resulted in an increase of cell DNA damage as determined by measuring γ-H2AX phosphorylation levels by flow cytometry. The radiosensitization study also demonstrated that AuNP-NUAP-STAT3d as well as STAT3d alone resulted in the efficient inhibition of A431 cell proliferation. While FaDu cells did not show instant proliferation inhibition after incubating with AuNP-NUAP-STAT3d, the cell DNA damage in these cells showed nearly a 50% increase in AuNP-NUAP-STAT3d group after treating with radiation. Compared with anti-EGFR humanized antibody (Cetuximab), AuNP-NUAP-STAT3d system had an overall stronger radiosensitization effect in both A431 and FaDu cells.