小型ヒートショックタンパク質をベースとした二重刺激応答性ナノ粒子を用いた腫瘍微小環境ターゲティングと抗腫瘍剤送達の研究

Tumor Microenvironment Targeting with Dual Stimuli-Responsive Nanoparticles Based on Small Heat Shock Proteins for Antitumor Drug Delivery.

• Kaihong Shi
• Yu Wang
• Xu Zhou
• Hongqin Gui
• Ningze Xu
• Shengyue Wu
• Cong He
• Ziming Zhao

抄録

腫瘍微小環境（TME）を標的としたナノ粒子（NP）は、Methanococcus jannaschii小熱ショックタンパク質（Mj-sHSP）をベースに開発された。Mj-sHSPs（T-HSPs）の表面に転写活性化剤（TAT）を修飾して細胞内化能（CIA）を高め、T-HSPs（PT-HSPs）にpH/酵素デュアルセンシティブPEG/N-（2-アミノエチル）ピペリジンヒアルロン酸（PAHA）コートを複合化した。PT-HSP NPは多層の形態を示し、血漿タンパク質の吸着に対して良好な安定性を示した。PT-HSP NPからのパクリタキセル（PTX）の放出は、生理学的pHでは無視できる程度であった。TMEと同様の条件（酸性pHと過剰発現したヒアルロニダーゼ（HAase））では、PAHAコートは電荷反転とHAaseの分解という2つの要因によりPT-HSP NPから脱シールドされた。PAHAコートが脱保護されると、NPのサイズが小さくなり、表面の電荷が正になり、顕著な薬物放出が誘発された。細胞実験では、PT-HSPsのCIAは正常細胞の微小環境では遮蔽され、腫瘍細胞の微小環境では回復することが示された。また、インビボイメージングの結果、PT-HSP NPは、コーティングされていないコントロールと比較して、印象的な腫瘍ターゲティング能力を有していることが示された。in vivoでの抗腫瘍効果は、PTXを負荷したPT-HSP NPで治療された腫瘍担持マウスが、タキソール製剤よりも優れた抗腫瘍効果と安全性を達成したことを実証した。まとめると、本研究は、TMEの特定のpHと酵素に反応して流すことができるコートを持つHSP NPを提供し、腫瘍治療の有効性を改善した。意義・意義 本研究は、腫瘍微小環境を標的とした腫瘍治療のためのタンパク質ベースのナノ粒子（PT-HSP NP）について報告したものである。PT-HSP NP は、タンパク質ケージ、TAT カチオン層、デュアルセンシティブコートという多層構造を有していたが、本研究では、PT-HSP NP は、タンパク質ケージ、TAT カチオン層、デュアルセンシティブコートという多層構造を有していることを明らかにした。PT-HSP NPは多層構造を有しており、血漿タンパク質の吸着に対して良好な安定性を示し、生理的pHではPTXの放出は無視できる程度であった。腫瘍の微小環境（酸性pHとHAaseの過剰発現）下では、PAHAコートは、PAHA中のピペリジンのプロトン化による電荷反転とHAaseの分解という2つの要因により、PT-HSP NPから脱保護されていた。細胞内への取り込み、細胞毒性、in vivoイメージング、腫瘍抑制実験の結果から、PT-HSP NPはin vitroおよびin vivoで有望な腫瘍ターゲティング効果を示すことが確認された。

Tumour microenvironment (TME)-targeting nanoparticles (NPs) were developed based on Methanococcus jannaschii small heat shock proteins (Mj-sHSPs). Transactivator of transcription (TAT) were modified on the surface of Mj-sHSPs (T-HSPs) to enhance their cellular internalization ability (CIA), and a pH/enzyme dual sensitive PEG/N-(2-aminoethyl)piperidine-hyaluronic acid (PAHA) coat was combined with T-HSPs (PT-HSPs). PT-HSP NPs exhibited multi-layered morphologies and good stability against plasma protein adsorption. The release of paclitaxel (PTX) from PT-HSP NPs was negligible at physiological pH. Under conditions similar to the TME (acidic pH and overexpressed hyaluronidase (HAase)), the PAHA coat deshielded from PT-HSP NPs because of two factors: charge reversal and HAase degradation. Once the PAHA coat was shed, the size of the NPs decreased; its surface charge became positive; and remarkable drug release was triggered. Cellular experiments indicated that the CIA of PT-HSPs was shielded in the microenvironment of normal cells and recovered in that of tumour cells. In vivo imaging exhibited that the PT-HSP NPs had an impressive tumour targeting ability compared with the uncoated controls. The antitumor efficacy in vivo demonstrated that tumour-bearing mice treated with PTX-loaded PT-HSP NPs achieved better anti-tumour effects and safety than the Taxol formulation. In summary, this study provided HSP NPs with coats that could be shed in response to the particular pH and enzymes in the TME, which improved the efficacy of tumour therapy. Statement of Significance This study reports on tumor microenvironment-targeting protein-based nanoparticles (PT-HSP NPs) for targeted tumor therapy. The NPs had a multilayered structure: a protein cage, a TAT cationic layer, and a dual-sensitive coat. PT-HSP NPs exhibited multilayered morphology, with good stability against plasma protein adsorption, and PTX release negligible at physiological pH. Under the tumor microenvironment (acidic pH and overexpressed HAase), PAHA coat deshielded from PT-HSP NPs due to two factors: the charge reversal induced by protonation of piperidines in PAHA and HAase degradation. The results of cellular uptake, cytotoxicity, in vivo imaging, and tumor inhibition experiments confirmed that PT-HSP NPs exhibited promising tumor targeting efficacy in vitro and in vivo.

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