Nov 13, 2023
Разработка микрокислородных фабрик для замедления прогрессирования опухоли в гипероксической микросреде
Том «Природные коммуникации»
Nature Communications, том 13, номер статьи: 4495 (2022) Цитировать эту статью
4358 Доступов
10 цитат
12 Альтметрика
Подробности о метриках
Хотя гипоксия способствует канцерогенезу, агрессивности опухоли, метастазированию и устойчивости к онкологическому лечению, влияние гипероксии на опухоли редко исследуется, поскольку обеспечение длительного снабжения кислородом in vivo является серьезной проблемой. Здесь мы создаем микрокислородные фабрики, а именно микрокапсулы фотосинтеза (ПМК), путем инкапсуляции приобретенных цианобактерий и апконверсионных наночастиц в альгинатные микрокапсулы. Эта система обеспечивает длительную подачу кислорода за счет преобразования внешнего излучения в излучение красной длины волны для фотосинтеза цианобактерий. Лечение ПМК подавляет путь NF-kB, выработку HIF-1α и пролиферацию раковых клеток. Гипероксическая микросреда, создаваемая имплантатом ПМК in vivo, ингибирует рост и метастазирование гепатокарциномы и оказывает синергетический эффект вместе с анти-PD-1 при раке молочной железы. Фабрики технического кислорода открывают потенциал для исследований биологии опухолей в гипероксической микросреде и вдохновляют на изучение методов лечения онкологических заболеваний.
Гипоксия является наиболее распространенной характеристикой микроокружения солидных опухолей1,2 и возникает из-за дисбаланса между недостаточным снабжением кислородом и повышенным потреблением кислорода быстро пролиферирующими раковыми клетками. Следовательно, раковые клетки прибегают к множеству адаптивных путей и геномных изменений для выживания в гипоксической среде3. Транскрипционный фактор, индуцируемый гипоксией, фактор 1α (HIF-1α), наиболее известный медиатор гипоксических реакций, играет центральную роль в стимуляции неоваскуляризации в опухолях для улучшения снабжения кислородом и питательными веществами4. Парадоксально, но эти сосуды часто имеют неправильную организацию (например, скрученные, гиперпроницаемые структуры со слепыми концами) и имеют дефекты диффузии кислорода или перфузии5, что приводит к расширению гипоксических областей в опухолях. В то же время сообщалось, что гипоксическая микросреда, отличительная черта злокачественных опухолей, является не только первичным барьером, защищающим опухоль от различных методов лечения, создавая среду иммуносупрессии6, активируя путь репарации ДНК7 и обеспечивая аутофагический поток8, но также и стимулятором канцерогенеза9 , инвазивность опухоли и метастазирование1,2. Эти результаты вдохновили на изучение технологий преобразования гипоксической микросреды в гипероксическую микросреду для исследований в области биологии опухолей или терапии.
Создание долговременной гипероксической микросреды в опухолях является серьезной проблемой из-за отсутствия постоянных и биосовместимых источников кислорода. Учитывая, что водорослевые микробы являются основными поставщиками O2 на Земле, фотосинтез в хлоропластах водорослей потенциально может быть изучен для получения добавок O2 в опухолях. Для фотосинтетического механизма требуется согласованный источник света, излучающий фотоны с длиной волны 650–700 нм. Поскольку наночастицы с ап-конверсией на основе редкоземельных элементов (UCNP) продемонстрировали исключительную способность преобразовывать биопрозрачные лазеры ближнего инфракрасного диапазона (NIR) в видимый свет10, эти материалы можно использовать для обеспечения доступных фотонов в фотосинтезе. Поэтому мы предположили, что длительная гипероксическая микросреда может быть создана путем рационального конструирования водорослевых микробов и UCNP.
В этом исследовании мы впервые разработали микрокапсулы фотосинтеза (PMC), инкапсулируя цианобактерии и UCNP в альгинатные микрокапсулы (MC), которые можно изготовить методом электростатических капель. Четыре штамма цианобактерий были подвергнуты акклиматическому отбору для получения штамма, подходящего для адаптации к физиологическим условиям. Мы всесторонне изучаем влияние БИК-излучения, популяции клеток и дозы UCNP на выработку O2, чтобы разработать оптимизированную формулу PMC. Воздействие гипероксической микросреды, создаваемой ЧВК, изучается на девяти линиях раковых клеток и двух моделях опухолей, включая ортотопический рак молочной железы у мышей и трансплантированную гепатокарциному у кроликов.
32 °C, S. sp. 6803 and S. elongate. 7942 were able to acclimate to the temperature increments. Stepwise changes from the BG11 medium to DMEM allowed us to acquire an evolved S. sp. 6803 (e-S. sp. 6803) strain, which maintained its activity at 37 °C in DMEM (Supplementary Fig. 3). This strain was therefore selected for PMC construction. We then synthesized a series of UCNPs with different emissions by the crystal growth method10. An Er3+- and Yb3+-doped NaYF4 nanorod (15.3 × 30.2 nm) was found to emit strong fluorescence at 660 nm, perfectly matching the absorbance of chlorophyll α (Supplementary Fig. 4 and Supplementary Fig. 5), which is the prominent component responsible for photosynthesis. Next, we engineered the PMCs by encapsulating algal microbes and UCNPs in the alginate-calcium microspheres under an electrostatic field via an electrostatic droplet generation system. As shown in Fig. 1, the whole process involves four steps: (i) homogenous mixing of algal microbes with UCNPs in alginate sodium; (ii) dispersing of alginate sodium solution into uniform droplets under an electrostatic field; (iii) encapsulating UCNPs and microbes by cross-linked alginate-calcium in CaCl2 solutions; and (iv) coating of alginate-calcium microspheres by poly-L-lysine (PLL), a water-soluble polycation that is resistant to enzymatic degradation and capable of preventing microbe leakage (Supplementary Fig. 6). The resulting PMCs were examined by upconversion luminescence microscopy. While empty MCs and alga-encapsulated MCs had no fluorescence signals, PMCs emitted strong red fluorescence under 980 nm excitation (Fig. 2a). These results indicated that the encapsulated UCNPs thoroughly maintained their optical properties. We comprehensively examined the impacts of microbe density and UCNP concentration on the photosynthetic activity of PMCs (Fig. 2b). An optimized formula of PMCs (3 × 103 algal cells and 0.67 μg of UCNPs per MC) was acquired for efficient oxygen production (1.6 μg/min). The oxygen generation of designated PMCs was dependent on the intensity and exposure time of NIR radiation, indicating a controllable oxygen supply (Supplementary Fig. 7). The encapsulated algal microbes in PMCs survived in DMEM for over 1 month (Supplementary Fig. 8)./p>140 days and were almost cured, as there were no detectable tumour nodules in the livers and lungs by CT imaging and ex vivo examination (Supplementary Fig. 23). To our surprise, luminescent PMCs could still be observed in the liver and maintained spherical morphologies (Supplementary Fig. 23). These results indicated that the hyperoxic microenvironment created by NIR-PMCs could greatly slow tumour progression, inhibit tumour metastasis and enhance the survival rates of hepatocarcinoma-bearing rabbits./p>140 days) than the untreated animals did (average survival time ~27 days) and had no detectable tumour nodes. However, these findings may need more validation across different tumour models./p>Stage II) to establish local control and palliation. The PMCs were deliberately designed to accommodate the interventional device. Although intratumor injection was selected for the administration of PMCs in animals, PMCs could be applied in human patients by transcatheter arterial chemoembolization. To facilitate future clinical applications, the dose and duration time of NIR radiation should be carefully examined. Taking hepatocarcinoma as an example, 900 mW/cm2 NIR radiation at 980 nm was applied to rabbits for 60 min/day. Given that the depth of hepatocarcinoma in rabbits is 0.3–0.7 cm, the tumour received 300–500 mW/cm2 radiation after penetration of the animal belly60. To acquire such excitation intensity in human patients, the radiation dose has to be increased to 2000 mW/cm2 or the duration time should be extended to 180 min because hepatocarcinoma in human patients are often deeper than they are in rabbits61,62,63 and because the intensity of NIR radiation at 980 nm would decline to <30% after penetration of 0.7–1.0 cm belly tissues in humans. However, this amount of NIR radiation may induce hyperthermia damage. Alternatively, NIR-II radiation at 1200–1700 nm would be more suitable for clinical applications, as NIR-II photons have a much deeper penetration capability than NIR lasers at 980 nm64. UCNPs with excitations in the NIR-II region could be exploited to construct PMCs for potential applications in clinics. Since interventional therapy is a conventional treatment in hepatocarcinoma patients, PMCs are a promising implant for clinical applications./p>85% cell proliferation, we increased the culture temperature (1 °C). Otherwise, we sustained the temperature for another 24 h. After 30 days culture, the evolved algal microbes were acquired and preserved in BG11 media at 37 °C for subsequent tests. Next, we repeated the above procedure by stepwise changing medium composition from BG11 to DMEM. The evolved Synechocystis sp. 6803 cultured at 37 °C in DMEM was denoted as e-S. sp. 6803./p>50 μm./p>2 cm for mice or the tumour volume is >80 cm3 for rabbits; (ii) the eating, drinking or movement of animals is severely affected. To develop the hepatic VX2 tumours in rabbits, VX2 cell suspensions (2 × 106 cells, 200 μL) were implanted into the thigh muscles of donor rabbits. Once the tumour sizes were >2 cm (~2 weeks), the donor rabbits were anesthetized by intravenous injection at a lethal dose 2 mL/Kg of xylazine hydrochloride for the harvest of tumour tissues. Each tumour was minced into 1 mm3 piece by ophthalmic scissors under sterile conditions. The recipient rabbits were anesthetized by intramuscular injection of xylazine hydrochloride (250 μL/Kg). A minced tissue fragment was directly delivered percutaneously into the subcapsular parenchyma of the left hepatic lobe of the recipient rabbit by percutaneous puncture technique under a 16-slice CT spiral scan (Brilliance-16, Phillips, USA) guidance. The rabbits were housed and examined by CT imaging until the tumour volumes reached around 1 cm3. The hepatocarcinoma-bearing rabbits with similar tumour size were divided into two groups by throwing dice, including vehicle control (n = 13), NIR-PMC group (n = 13). The rabbits were anesthetized for a single intratumorally injection of PMC suspensions (500 µL, 3.6 × 104/mL) at 14 days. NIR radiations at 900 mW/cm2 were exposed to animals for three intervals (20 min in each interval) each day. The tumour size was monitored by CT scanning (MHCT brilliance 16, Philips, Holland) every 2 weeks./p> 1 indicates antagonism, CI = 1 indicates additivity, and CI < 1 indicates synergy. The tumours were imaged by IVIS imaging spectrum system (PerkinElmer, ME, USA) and Canon camera (Japan). The mice were fully anesthetized by an overdose of sodium pentobarbital (400 mg/kg) and sacrificed to collect tumours and lungs. The tissue samples were stored in liquid nitrogen for cytokine and adenosine measurements or fixed for H&E staining or immunostaining of A2AR, CD4, CD39, CD206 and CD73 expression./p>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом