靶向部分类型和蛋白冠形成对癌细胞摄取Fn14靶向纳米颗粒的影响

Impact of Targeting Moiety Type and Protein Corona Formation on the Uptake of Fn14-Targeted Nanoparticles by Cancer Cells.

作者信息Christine P Carney, Nikhil Pandey, Anshika Kapur, Hassan Saadi, Hwei Ling Ong, Chixiang Chen, Jeffrey A Winkles, Graeme F Woodworth, Anthony J Kim
PMID37812740
期刊ACS Nano
发布时间2023-10-24
DOI10.1021/acsnano.3c02575

实验完整度

包含体外细胞模型(U373胶质瘤、231-TD-luc乳腺癌)和SPR结合分析、摄取动力学、内吞机制、血清蛋白冠影响的多个证据层级,并进行了功能验证(摄取抑制、内吞抑制剂)和机制验证(共定位、途径抑制)。

主要模型

U373胶质瘤细胞(Fn14-high和Fn14-low) MDA-MB-231-TD-luc三阴性乳腺癌细胞 RAW264.7巨噬细胞(共培养实验)

重点核对

纳米颗粒配方:PP-IT41%(13.1个mAb/NP)与PP-IT4-Fab10%(37.4个Fab/NP) 血清暴露条件:10%小鼠血清,预孵育60分钟(最大蛋白冠形成) 细胞系Fn14表达差异:Fn14-hi U373 > 231-TD-luc > Fn14-low U373 内吞抑制实验:氯丙嗪(10 μg/ml)和Dyngo-4a(30 μM)抑制网格蛋白介导内吞 SPR结合分析:血清暴露使PP-IT4-Fab10% NP的Fn14结合能力显著下降,PP-IT41% NP无显著变化

摘要

TWEAK受体Fn14是癌症纳米治疗药物主动靶向多种实体瘤类型(包括转移性乳腺癌和原发性脑癌)的有前景的候选靶点。治疗性纳米颗粒(NPs)的靶向已通过多种靶向部分实现,包括单克隆抗体及其相关片段、肽和小分子。在本研究中,我们研究了全长Fn14特异性单克隆抗体ITEM4或ITEM4-Fab片段作为靶向部分,以指导临床制剂的开发。我们配制了具有不同靶向部分密度的纳米颗粒,同时保持降低的非特异性粘附性和受体靶向(DART)特性。为了模拟静脉输注后纳米颗粒所经历的条件,我们研究了血清暴露对靶向部分类型和表面密度的影响。为了进一步评估癌细胞水平上的性能,我们使用共聚焦显微镜、成像流式细胞术和全内反射荧光显微镜进行了实验,评估了几种癌细胞系中细胞摄取和胞内运输的差异。我们观察到Fn14靶向纳米颗粒在Fn14高表达的癌细胞中相比Fn14低表达的癌细胞表现出增强的细胞摄取,并且在两种细胞系中,摄取水平均高于对照非靶向纳米颗粒。我们发现血清暴露增加了Fn14靶向纳米颗粒的特异性,同时降低了总纳米颗粒摄取。重要的是,当靶向部分为抗体片段(单克隆抗体的Fab区)时,血清暴露导致的癌细胞摄取减少随时间更大,与全长单克隆抗体靶向部分相比。最后,我们发现全长单克隆抗体靶向的纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入癌细胞,并通过内溶酶体途径运输。综上,这些结果支持了使用全长Fn14单克隆抗体作为靶向部分开发DART癌症纳米治疗剂的途径。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
靶向部分类型(全长抗体vs Fab片段)和蛋白冠形成如何影响Fn14靶向纳米颗粒的癌细胞摄取和细胞内运输?
核心机制
全长IT4单克隆抗体靶向的纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入癌细胞,并经由内溶酶体途径运输;IT4-Fab片段靶向的纳米颗粒在血清暴露后因表位遮蔽而失去靶向特异性。
主要证据
SPR结合实验显示PP-IT41% NP的KD为0.60 nM,显著高于PP-IT4-Fab10% NP的1.5 nM;血清暴露后PP-IT4-Fab10% NP的Fn14结合能力显著降低,而PP-IT41% NP无显著变化;内吞抑制实验显示氯丙嗪和Dyngo预处理显著降低PP-IT41% NP摄取(分别降至48%和51%);共定位分析显示与网格蛋白、Rab5和溶酶体的Pearson系数分别为0.24、0.20和0.46。
研究意义
支持使用全长Fn14单克隆抗体作为靶向部分开发DART癌症纳米治疗剂,为临床制剂开发提供指导。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

纳米颗粒合成与表征

制备不同靶向部分密度和荧光标记的DART纳米颗粒,并表征其理化性质。

通过马来酰亚胺-硫醇化学将IT4 mAb、IT4-Fab或IgG偶联到PLGA-PEG纳米颗粒上,使用DLS测量粒径、表面电荷和PDI,并使用LavaPep蛋白测定法测量靶向部分密度。

2

SPR结合亲和力分析

评估不同靶向部分密度和血清暴露对纳米颗粒与Fn14结合亲和力的影响。

使用表面等离子体共振(SPR)测量游离和纳米颗粒偶联的IT4 mAb和IT4-Fab与Fn14胞外域的结合,并计算解离常数(KD)。部分纳米颗粒在SPR分析前与10%小鼠或人血清预孵育60分钟。

3

细胞摄取评估

比较不同靶向部分和密度纳米颗粒在Fn14高和低表达癌细胞中的摄取量及血清影响。

使用Cy5标记的纳米颗粒处理U373和231-TD-luc细胞,通过流式细胞术定量摄取,使用成像流式细胞术和TIRF显微镜可视化摄取动力学。

4

内吞机制研究

确定Fn14靶向纳米颗粒进入癌细胞的机制和细胞内运输途径。

使用共聚焦显微镜分析纳米颗粒与内吞标记物(网格蛋白、小窝蛋白-1、Rab5、溶酶体)的共定位,并使用内吞抑制剂处理细胞,通过流式细胞术评估摄取变化。

5

受体阻断实验

验证Fn14靶向纳米颗粒的摄取是否由Fn14受体介导。

用过量可溶性IT4抗体预处理细胞,以阻断Fn14受体,然后测量Cy5-PP-IT41% NP的摄取。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
甲氧基封端PLGA-PEGPolySciTech--
马来酰亚胺封端PLGA-PEGPolySciTech--
PLGA-罗丹明BPolySciTech--
PLGA-花青5PolySciTech--
ITEM4 (IT4) 单克隆抗体----
小鼠IgG同型对照抗体Thermo Fisher Scientific10400C
转铁蛋白单克隆抗体R&D SystemsMAB2474
人转铁蛋白受体Sino Biological11020-H07H
聚乙烯醇(25 kDa)Polysciences--
PD-10脱盐柱Thermo Fisher Scientific--
聚乳酸-乙醇酸共聚物(7-17 kDa,50:50)Sigma-Aldrich--
2-亚氨基硫烷盐酸盐Sigma-Aldrich--
小鼠血清Sigma-AldrichSIG-S25
Dyngo-4aSelleckchemS7163
人男性AB型血浆血清Sigma-AldrichH6914
盐酸氯丙嗪Sigma-AldrichC8138
金雀异黄酮Sigma-AldrichG6649
细胞松弛素BSigma-AldrichC6762
盐酸阿米洛利水合物Sigma-AldrichA7410
非律平IIISigma-AldrichF4767
Fn14抗体Abcamab109365
Rab5抗体CST3547S
LAMP1抗体CST9091S
网格蛋白抗体CST4796S
小窝蛋白-1抗体CST3238S
抗兔IgG Alexa Fluor 555CST4413S
LysoTracker Red DND-99Thermo Fisher ScientificL7528
IgG-APCBiolegend400322
ZombieAquaBiolegend423102
Fab制备试剂盒Pierce44985
Zeba旋转柱Thermo Fisher Scientific--
Zetasizer NanoZSMalvern Instruments--
Biacore 3000GE Healthcare--
LavaPep蛋白测定Gel Company--
DMEM培养基Corning10-013-CV
胎牛血清Invitrogen16140071
青霉素-链霉素Invitrogen15140122
嘌呤霉素----
G418硫酸盐Gemini Bio400-113
潮霉素BCorning30-240-CR
RIPA裂解液Sigma-AldrichR0278
蛋白酶和磷酸酶抑制剂混合物Thermo Scientific1861281
BCA蛋白定量试剂盒Thermo Scientific23227
SDS-PAGE凝胶电泳InvitrogenNP0342BOX
PVDF膜Thermo Scientific88518
抗Fn14抗体(Abcam EPR3179)AbcamEPR3179
抗GAPDH抗体(CST 2218S)CST2218S
TBST缓冲液CST9997S
HRP偶联二抗CST--
Amersham增强型化学发光检测试剂盒CytivaRPN2232
小鼠Fc受体阻断剂Biolegend101320
Cytek Aurora光谱流式细胞仪Cytek--
Amnis ImageStreamAmnis--
Olympus IX83电动倒置显微镜Olympus--
Lambda 10-3滤光片轮Sutter Instruments--
Hamamatsu ORCA-Flash4.0相机Hamamatsu--
MetaMorph成像软件Molecular Devices--
FIJI/ImageJ----
Nikon W-1转盘共聚焦显微镜Nikon--
含DAPI的Prolong gold抗淬灭试剂InvitrogenP36961
12毫米盖玻片Deckglaser0111520
胶原蛋白包被的玻璃底培养皿MatTek--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
纳米颗粒合成
PLGA-PEG共聚物(10:5 kDa)和马来酰亚胺封端比例(0.5%-10%)
阅读提示:Methods: Preparation of polymeric NPs; Table 1
靶向部分制备
IT4-Fab的制备、硫醇化摩尔比(200X 2-IT)
阅读提示:Methods: IT4-Fab and TfR Fab preparation; Preparation of thiol-modified IT4 mAb, IT4-Fab, TfR mAb, TfR-Fab, and IgG
SPR结合分析
Fn14胞外域固定量(~1700 RU)、NP浓度(0.125-2 nM)、血清孵育条件(10%血清,60分钟)
阅读提示:Methods: Surface plasmon resonance analysis; Figure 1 and Figure 6
细胞摄取实验
NP浓度(50 μg/ml)、处理时间(30分钟)、血清条件(无血清、10%小鼠血清、预孵育60分钟)
阅读提示:Methods: Flow cytometric analysis of NP uptake in vitro; Figure 4
内吞抑制实验
内吞抑制剂浓度(氯丙嗪10 μg/ml、Dyngo-4a 30 μM等)、预处理时间(30分钟)、NP浓度(50 μg/ml)、4°C对照
阅读提示:Methods: Effect of various drugs, 4°C incubation, and excess IT4 on NP cellular uptake; Figure 8
共定位分析
NP浓度(20 μg/ml)、处理时间(60分钟)、抗体稀释度(Rab5 1:200, LAMP1 1:200等)
阅读提示:Methods: Confocal microscopy and NP colocalization analysis in U373 cells; Figure 7