使用纳米颗粒来输送抗癌药物提供了一种大剂量药物打击肿瘤的方法，同时避免了化疗通常带来的有害副作用。然而，到目前为止，只有少数以纳米颗粒为基础的抗癌药物获得了FDA的批准。

来自麻省理工学院、麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学的研究人员的一项新研究可能有助于克服开发基于纳米颗粒的药物的一些障碍。研究小组分析了35种不同类型的纳米颗粒与近500种癌细胞之间的相互作用，揭示了数千种影响这些细胞是否会吸收不同类型的纳米颗粒的生物特征。

这些发现可以帮助研究人员更好地为特定类型的癌症定制药物输送颗粒，或者设计新的颗粒，利用特定类型癌细胞的生物特征。

“我们对我们的发现感到兴奋，因为这真的只是一个开始——我们可以使用这种方法来绘制出什么样的纳米颗粒最适合针对特定类型的细胞，从癌症到免疫细胞和其他种类的健康和患病的器官细胞。我们正在研究表面化学和其他材料性质如何在靶向中发挥作用，”麻省理工学院教授、化学工程系主任、麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员paula Hammond说。

哈蒙德是这项新研究的资深作者，该研究发表在今天的《科学》杂志上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Natalie Boehnke，她很快将加入明尼苏达大学的教职，以及Joelle Straehla，科赫研究所的Charles W.和Jennifer C. Johnson临床研究员，哈佛医学院的讲师，Dana-Farber癌症研究所的儿科肿瘤学家。

Cell-particle交互

哈蒙德的实验室之前已经开发了许多类型的纳米颗粒，可用于向细胞传递药物。她的实验室和其他人的研究表明，不同类型的癌细胞对相同的纳米颗粒的反应往往不同。加入哈蒙德实验室时研究卵巢癌的Boehnke和研究脑癌的Straehla也在他们的研究中注意到了这一现象。

研究人员假设，细胞之间的生物学差异可能导致了它们反应的差异。为了弄清楚这些差异可能是什么，他们决定进行一项大规模的研究，在这项研究中，他们可以观察大量不同的细胞与许多类型的纳米颗粒的相互作用。

斯特拉赫拉最近了解了布罗德研究所的pRISM平台，该平台旨在让研究人员同时对数百种不同癌症类型的数千种药物进行快速筛选。在麻省理工学院(MIT)生物工程副教授安吉拉·克勒(Angela Koehler)的协助下，研究小组决定尝试采用这个平台来筛选细胞-纳米颗粒之间的相互作用，而不是细胞-药物之间的相互作用。

“使用这种方法，我们可以开始思考细胞的基因型特征是否可以预测它将吸收多少纳米颗粒，”Boehnke说。

为了进行筛选，研究人员使用了来自22个不同组织的488个癌细胞系。每一种细胞类型都用一种独特的DNA序列“条形码”，使研究人员可以稍后识别这些细胞。对于每一种细胞类型，也有大量关于其基因表达谱和其他生物学特征的数据集。

在纳米颗粒一侧，研究人员制造了35个颗粒，每个颗粒的核心由脂质体(由许多被称为脂质的脂肪分子制成的颗粒)、一种被称为pLGA的聚合物或另一种被称为聚苯乙烯的聚合物组成。研究人员还在颗粒上涂上不同类型的保护或靶向分子，包括聚乙二醇、抗体和多糖等聚合物。这使得他们可以研究核心成分和粒子表面化学的影响。

与布罗德研究所(Broad Institute)的科学家合作，包括棱镜实验室(pRISM)主任珍妮弗·罗斯(Jennifer Roth)，研究人员将数百个不同的细胞池暴露在35种不同的纳米颗粒中。每个纳米颗粒都有一个荧光标签，因此研究人员可以使用细胞分类技术，根据暴露4小时或24小时后它们发出的荧光量来分离细胞。

根据这些测量结果，每个细胞系被分配一个分数，代表它对每个纳米颗粒的亲和性。然后，研究人员使用机器学习算法分析这些分数，以及每个细胞系可用的所有其他生物数据。

这项分析得出了数千个与不同类型纳米颗粒的亲和性相关的特征或生物标志物。这些标记中的许多都是编码细胞机制的基因，这些机制需要结合颗粒，将它们带入细胞或处理它们。其中一些基因已经被发现与纳米颗粒的运输有关，但其他许多基因是新的。

“我们发现了一些我们预期的标记，我们还发现了更多真正尚未探索的标记。我们希望其他人可以使用这个数据集来帮助扩大他们对纳米颗粒和细胞如何相互作用的看法，”Straehla说。

粒子吸收

研究人员挑选了他们识别的生物标志物之一，一种名为SLC46A3的蛋白质，用于进一步研究。pRISM屏幕显示，这种蛋白质的高水平与脂基纳米颗粒摄取极低相关。当研究人员在黑素瘤小鼠模型中测试这些颗粒时，他们发现了同样的相关性。研究结果表明，这种生物标志物可以用来帮助医生识别那些对纳米颗粒治疗更有反应的患者。

现在研究人员正试图揭开SLC46A3调节纳米颗粒摄取的机制。如果他们能找到降低这种蛋白质细胞水平的新方法，这可能有助于使肿瘤对脂质纳米颗粒携带的药物更敏感。研究人员还在进一步探索他们发现的其他一些生物标志物。

这种筛选方法也可以用于研究许多其他类型的纳米颗粒，而这些纳米颗粒是研究人员在这项研究中没有观察到的。

Boehnke说:“就其他未被发现的生物标志物而言，我们还没有捕捉到它们，因为我们还没有对它们进行筛查，这是无止境的。”“希望这能激励其他人开始以类似的方式研究他们的纳米颗粒系统。”

这项研究部分由SpARC资助布罗德研究所，科赫研究所的大理石癌症纳米医学中心，以及国家癌症研究所的科赫研究所支持(核心)拨款。