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ACS Nano | 东南大学研发FGFR1响应水凝胶：精准释放药物增强肺癌治疗效果
Highlights
1. 研发了一种能被FGFR1特异性激活并释放抑制剂Nin的水凝胶，提高了肺癌治疗的精准度。
2. Gel Y/Nin在体外和体内模型中均展现出比单独Nin更强的抑制肺癌效果，有效减少肿瘤大小。
3. 该水凝胶在细胞和动物实验中显示出低毒性和良好的安全性，适合作为潜在的临床治疗手段。
近日，“ACS Nano”（IF=15.8）上发表了一篇题为“Fibroblast Growth Factor Receptor 1-Specific Dehydrogelation to Release Its Inhibitor for Enhanced Lung Tumor Therapy”的文章。这篇文章报道了一种针对肺癌治疗的智能水凝胶系统。
研究背景介绍
成纤维细胞生长因子受体1（FGFR1）是一种细胞表面受体，属于成纤维细胞生长因子受体家族。它在细胞增殖、分化和迁移过程中起着关键作用。在多种癌症中，包括肺癌，FGFR1的过表达与肿瘤的侵袭性和不良预后相关。
水凝胶是由聚合物链交联形成的三维网络结构。在药物递送系统中，水凝胶可以作为载体，实现药物的控制释放，提高药物的局部浓度和疗效，同时减少副作用。去水凝胶化是指水凝胶在特定刺激下从固态或半固态转变为液态的过程。
尼达尼布（Nin）是一种能够靶向包括FGFR在内的多个受体小分子的酪氨酸激酶抑制剂。然而，Nin的水溶性差，血清半衰期短，生物利用度有限。
研究思路分析
研究技术路线图
01水凝胶的合成与表征
①八肽水凝胶Nap-Phe-Phe-Phe Glu-Thr-Glu-Leu-Tyr-OH（Nap-Y）及其磷酸化产物Nap-Yp通过固相肽合成法制备，并通过HPLC进行了纯化。研究发现，Nap-Y和Nap-Yp的临界聚集浓度（CAC）分别为0.31 mM和1.13 mM。通过加热-冷却过程评估了它们的凝胶形成能力，结果显示Nap-Y能形成稳定的水凝胶(Gel Y)，而Nap-Yp则不能。
②此外，测试了Nin和Nap-Y在不同摩尔比下的共组装潜力，发现它们能形成透明的水凝胶，表明Nin能在水凝胶基质中有效共组装和稳定封装。初步细胞毒性实验显示，Nin和Nap-Y比例为1:125的水凝胶(Gel Y/Nin)对A549细胞具有良好的抗癌效果，因此被选为进一步实验的对象。
③透射电子显微镜（TEM）观察到Gel Y显示出均匀的纳米纤维结构，而Gel Y/Nin的TEM图像则显示出更密集和纠缠的纳米纤维，表明Nin和Nap-Y分子之间有效共组装。圆二色光谱（CD）色谱分析，发现Gel Y和Gel Y/Nin的组装体均显示出特征的β-折叠CD信号。此外，这两种水凝胶的储能模量（G′）均高于损耗模量（G″），而Gel Y/Nin的G′和G″值高于Gel Y，说明Nin和Nap-Y的共组装提高了水凝胶的机械和粘弹性能。
④Gel Y和Gel Y/Nin的G′和G″值相对较低，表明这两种水凝胶柔软且可注射。在PBS或10%胎牛血清中室温下培养16天后，Gel Y/Nin仍保持透明稳定，表明其在生理条件下具有良好的稳定性。
02水凝胶的稳定性与释放特性
①进一步评估Gel Y和Gel Y/Nin受FGFR1调控的凝胶-溶液转变能力。研究发现，与A549细胞裂解物共孵育后，Gel Y和Gel Y/Nin都经历了从凝胶到溶液的转变，而与PBS处理的水凝胶则保持了凝胶状态。HPLC和ESI-MS分析表明，A549细胞裂解物激活后，Gel Y/Nin中的大部分Nap-Y转化为亲水的磷酸化形式Nap-Yp，并伴随Nin的释放。
②为进一步确认凝胶到溶液的转变是由FGFR1触发的，选择了两种表达FGFR1水平相对较低的正常人肺细胞系BEAS-2B和IMR-90。结果显示，在与IMR-90或BEAS-2B细胞裂解液处理后，Gel Y/Nin中的Nap-Y保持其凝胶形成形式。表明是FGFR1特异性地磷酸化了两性水凝胶形成剂Nap-Y至Nap-Yp，导致纳米纤维解体，从而驱动Gel Y/Nin从凝胶到溶液的转变。
③研究显示，Gel Y/Nin具有稳定的药物载荷能力，在无细胞条件下，72小时内仅有不到20%的Nin被释放。此外，发现与Gel Y/Nin孵育12小时后FGFR1表达开始显著下降，而此时约50.3%的Nin已被释放。表明，Nin的控制释放并未立即影响FGFR1的表达，从而证实了Nin能够在FGFR1高表达的A549细胞激活下可控地从Gel Y/Nin中释放。
03体外与体内抗癌效果
①研究发现，Gel Y/Nin对A549细胞的抗癌活性比Gel Y、Nin高。ELISA和Western blot实验进一步证实了Gel Y/Nin在下调FGFR1及其下游蛋白（如p-AKT和p-ERK）表达方面的有效性。流式细胞术检测显示，Gel Y/Nin处理的A549细胞凋亡率显著高于Gel Y和Nin单独处理，表明Gel Y/Nin的FGFR1响应性和Nin的持续释放增强了对肺癌细胞的杀伤效果。
②已有研究表明FGFR1信号与肺癌细胞转移高度相关。进一步研究Gel Y/Nin对A549细胞转移的抑制能力。结果显示，Gel Y/Nin处理显著降低了细胞侵袭和迁移，明显低于Gel Y或Nin处理的细胞。表明，Gel Y/Nin中Nin的控制释放显著提高了对A549肺癌细胞体外转移的抑制效率。
③在裸鼠侧腹注射A549细胞建立皮下肿瘤模型，并对肿瘤裸鼠进行不同的局部治疗，包括PBS、Gel Y、Nin和Gel Y/Nin。结果显示，Gel Y/Nin在抑制肿瘤生长方面效果最佳，肿瘤细胞死亡和凋亡程度最高，肿瘤细胞增殖最低。Gel Y/Nin组FGFR1表达水平显著下降。此外，Gel Y/Nin还显示出对肿瘤血管生成有显著的抑制作用。溶血实验表明Gel Y/Nin具有良好的血液相容性，且治疗期间小鼠体重无明显下降，主要器官也未有明显病理变化，表明Gel Y/Nin具有良好的生物安全性。
图1. FGFR1靶向水凝胶Gel Y/Nin的设计与药物释放机制
图2. Gel Y/Nin水凝胶的纳米结构和流变学特性
图3. FGFR1诱导的Gel Y/Nin水凝胶到溶液转变
图4. Nin从Gel Y/Nin中的释放动力学及体外抗癌效果
图5. Gel Y/Nin抑制A549肺癌细胞迁移和侵袭
图6. Gel Y/Nin在体内的抗癌效果及生物相容性评估
图7. abstract
结论与讨论
本文成功开发了一种FGFR1特异性的智能水凝胶Gel Y/Nin，用于肺癌治疗。该水凝胶能够响应FGFR1的磷酸化，控制释放其抑制剂Nin，显著抑制肺癌细胞的生长、迁移和侵袭。在裸鼠模型中，Gel Y/Nin展现了比单独Nin更强的肿瘤抑制效果，同时具有良好的生物相容性，为肺癌的临床治疗提供了新策略。
未来的研究需要进一步优化水凝胶的稳定性和药物载荷能力，以及探索其他潜在的生物标志物和治疗靶点。也要涉及到对水凝胶的长期疗效和副作用的深入研究，以及对不同类型肺癌的适用性进行评估。