一种靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于肿瘤药物材料，具体涉及一种靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、肿瘤微环境涉及肿瘤组织内肿瘤细胞、免疫细胞、干细胞、肿瘤相关成纤维细胞和血管上皮细胞等多种细胞之间的复杂合作，实体瘤内肿瘤血管的不规则生长所形成的缺氧是肿瘤微环境的内在特征之一，与肿瘤血管生成、肿瘤转移、多重耐药和免疫抑制等有关。目前，许多研究支持抑制肿瘤缺氧微环境内的一些关键成分有助于肿瘤的治疗。目前的纳米技术为我们提供了对抗低氧肿瘤微环境的智能策略，如外源性氧输送，细胞外ph调节，关键信号通路失调，细胞缺氧代谢重编程，进一步执行氧非依赖性放疗和缺氧反应性化疗。

2、目前的纳米技术提供了对抗低氧肿瘤微环境的智能策略，然而，一旦暴露于外部刺激，如化疗，肿瘤细胞同时释放恶性信号，形成肿瘤迁移和免疫抑制，给临床带来了挑战。并且目前的纳米技术提供了对抗低氧肿瘤微环境的智能策略，但很少有技术能够系统地实现治疗过程中甚至术后对肿瘤微环境的时空控制。

3、在实体肿瘤中，缺氧是一种常见的现象，它可以刺激欺骗性肿瘤外泌体的传播，这些外泌体作为沟通的桥梁，协调各种支持细胞类型的募集，以增强肿瘤在肿瘤免疫微环境中的适应性。尽管人们用各种有效设计来调节缺氧的肿瘤环境，但矛盾的是，肿瘤及其标志物似乎总是有一些方法来成功地在极端恶劣的环境下生存。缺氧肿瘤微环境中的成员比我们想象的更精确地控制，这取决于彼此之间的本地或远程通信。当受到外界刺激时，低氧肿瘤细胞通常对常规治疗表现出强大的适应性，具有释放恶性信号的能力，从而促进肿瘤的生存、迁移、耐药和免疫抑制。因此，对这种应激诱导的外泌体播散现象的监督可能对当前的临床肿瘤治疗策略构成挑战，导致肿瘤复发和转移等问题，以及肿瘤免疫治疗的失败。

4、这些恶性信号的重要载体之一是肿瘤外泌体，它作为肿瘤局部微环境调控和远端系统环境重塑的新型信使正在兴起。外泌体被称为天然的信息载体，几乎所有类型的细胞都分泌外泌体。外泌体内的一些分子，如蛋白质、dsdnas、非编码rna和mrna，可以被转移来调节受体细胞的表型，其中，来自肿瘤的欺骗性和破坏性外泌体可以用来说服和驯服免疫系统，免疫系统可以感知肿瘤的存在并随后迁移到肿瘤中。肿瘤细胞暴露于恶劣环境将进一步增加其以外泌体为基础的方式传播恶性信号的风险，化疗药物在一定剂量范围内，可以促进肿瘤分泌特殊的外泌体，调节肿瘤细胞的转移，同时也为远处器官的转移提供合适的生态位。此外，低氧肿瘤微环境作为一种应激性低氧条件，在许多肿瘤疾病中作为外泌体生物发生的重要调节因子而受到广泛关注。它不仅促进了癌细胞的分泌水平，而且赋予肿瘤外泌体低氧特异性载货能力，这是肿瘤存活、转移、干性行为和免疫反应的重要决定因素。因此，应考虑肿瘤外泌体以应激诱导的传播方式对邻近组织具有传染性。

5、值得注意的是，来自缺氧肿瘤细胞的许多重要信号承担着可能有助于免疫耐受和免疫逃逸的特殊任务。最近的研究也支持了缺氧诱导的外泌体介导与免疫系统的细胞间通讯，并具有免疫调节作用，如抑制自然杀伤细胞的功能，促进巨噬细胞的m2样极化，传播pd-l1配体的信号。更重要的是，新出现的证据还表明，低氧肿瘤微环境在免疫细胞失调中发挥着重要作用，从多个方面限制了肿瘤免疫治疗的效果，包括驱动t淋巴细胞耗竭，促进调节性t细胞募集，影响自然杀伤细胞和成熟树突状细胞功能以及诱导免疫抑制性肿瘤相关巨噬细胞分化。因此，肿瘤微环境中的缺氧可以增强肿瘤的适应性，进而调节免疫细胞群，这应该是提高肿瘤临床免疫治疗的一个有希望的靶点。完全切断肿瘤内不同成员之间依赖外泌体的通讯，似乎有望有效改善传统的临床试验。

6、为了减弱肿瘤外泌体调控的传染效应，有必要在常规治疗过程中构建肿瘤微环境内细胞间通讯的干扰。水凝胶，得益于其定制的机械性能，在生物医学应用中提供智能时空控制方面取得了显著的成功，例如组织再生，局部药物输送，愈合和免疫佐剂。纤维网络的可编程孔径将赋予水凝胶在生物物理上阻断外泌体传播方面的优势。近年来，基于短肽的自组装水凝胶因其具有良好的反应性和固有的生物相容性而备受关注基于响应位点的肽基自组装可以根据需要靶向细胞细胞器，提供具有特定生物功能的纳米结构。

7、最近设计的肽自组装可以靶向肿瘤细胞膜，从而中断膜功能，在肿瘤治疗中具有显著的优势，如运动限制、药物积累、膜结合、细胞-细胞相互作用工程等。目前，已经在缺氧肿瘤细胞上实现了膜靶向自组装，通过锚定碳酸酐酶(ca)ix诱导致死性内噬作用。作为缺氧肿瘤重要的膜定位蛋白，caix还在免疫微环境中发挥调节作用同时，其同工酶也被报道影响肿瘤外泌体的分泌。外泌体起源于细胞质多泡体，与细胞膜功能密切相关，它们被运送到细胞膜并与细胞膜融合，形成内部小泡因此，通过细胞膜功能障碍和缺氧微环境调节，在细胞膜上靶向caix的自组装可能是缓解肿瘤外泌体相关副作用的一种有希望的方法。此外，针对细胞膜的肽基自组装可以在肿瘤细胞的细胞周围空间形成水凝胶，从而在空间上控制物质的胞吞和基于外泌体的系统环境信号转导。

8、因此，如何提供一种可以在肿瘤细胞的细胞周围空间形成水凝胶、阻止外泌体影响免疫系统的自组装纳米材料，已成为目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料及其制备方法和应用。本发明通过对靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料进行设计，使得该靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料可在肿瘤细胞的细胞周围空间形成水凝胶、阻止外泌体影响免疫系统、抑制肿瘤生长，为治疗肿瘤药物的开发提供了新思路。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料，所述自组装纳米材料包括具有如下式pepabs-py所示结构的化合物：

4、

5、现有技术提供的传统的化疗药物不仅针对肿瘤，而且还会影响免疫系统。化疗药物的过量使用最终会导致宿主免疫系统受到抑制。此外，现有技术研究表明，肿瘤来源的外泌体具有一定的能力，可以在远处器官中创造炎症环境，从而促进转移细胞的发展，同样，一些化疗药物，如阿霉素和紫杉醇，通过帮助肿瘤释放恶性外泌体，对肿瘤转移产生了一些明显的作用。肿瘤源性外泌体中的信号分子能够促进正常细胞在肿瘤或远距离器官内的恶性增殖、血管生成和免疫抑制作用，低氧条件下的肿瘤外泌体将携带许多重要信号并承担促进免疫耐受和免疫逃逸的特殊任务。因此目前的临床治疗策略仍然面临肿瘤复发和转移的挑战，以及肿瘤免疫治疗的失败。因此，在肿瘤治疗过程中如何有效屏蔽肿瘤信号通信，来减弱常规治疗过程中肿瘤外泌体诱导的效应，非常值得关注。

6、本发明提供的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料包含两个非自然d型氨基酸序列df，从而在生物体内得到长效稳定的自组装纳米结构；自组装短肽小分子包含非自然d型氨基酸序列dk，其侧链氨基为化学键结合碳酸酐酶抑制剂提供良好反应位点；自组装短肽小分子包含自然型氨基酸序列g，帮助磷酸化的y氨基酸与氨基酸短肽结合；萘乙酸(nap)为芳香封端基团，以酰胺和氨基酸相连，帮助氨基酸短肽dfdfdkgdpy提供更好的自组装效果。

7、本发明通过对靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料进行设计，设计得到的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料可以通过细胞膜表面的去磷酸化触发，并有效地自组装在肿瘤细胞周围形成水凝胶。新形成的水凝胶包裹肿瘤细胞，限制信号载体或小化学物质的交换，从而抑制肿瘤生长。此外，abs与自组装分子的结合也使这种新型外泌体干扰在体内具有更好的抗缺氧性能。考虑到缺氧肿瘤外泌体的不同基因表达谱，在自组装分子中进行abs修饰可以进一步确定t淋巴细胞是pepabs-py治疗的关键靶点之一。由于肿瘤细胞在极端应激下的自我保护策略，在治疗过程中，几种t淋巴细胞抑制剂的相对含量上调，这也可能有助于肿瘤的耐药。然而，新形成的pepabs-py水凝胶可以有效地减少外泌体诱导效应的危害，破坏肿瘤适应，这可能是这种自组装分子的另一个明显优势。此外，这种自组装的水凝胶是在肿瘤内给药小分子肽后形成的，在肿瘤内表现出优越的长期滞留性，有助于达到最佳的治疗效果。体内实验已充分证实缺氧特征得到有效减轻，t淋巴细胞相关免疫抑制症状得到改善。因此，pepabs-py的应用可以被认为是一个新的治疗方向，破坏信号分子的通讯，抑制肿瘤的疯狂生长。

8、本发明利用膜靶向治疗策略，新颖地应用自组装短肽(pepabs-py)，在肿瘤细胞表面提供水凝胶，以纤维样纳米结构阻断外泌体的播散，有效地限制了传统治疗方法的全身效应。此外，pepabs-py可以通过携带缺氧肿瘤过表达caix酶的抑制剂来减弱体内缺氧肿瘤微环境，其中缺氧诱导的外泌体也被认为是介导免疫系统内细胞间通讯的重要调节因子。总的来说，pepabs-py具有阻断外泌体播散的能力，可以作为一种有前景的肿瘤膜靶向治疗工具，在免疫微环境中对抗肿瘤的适应性，进一步推进传统的化疗。

9、且得益于abs偶联，abs是低氧肿瘤过表达caix的抑制剂，这种自组装分子表现出明显的抗缺氧特性。因此，缺氧肿瘤产生的外泌体的mirnas含量被pepabs-py严重破坏，其中t细胞相关通路已被确定为重要的下游靶标。因此，pepabs-py治疗对肿瘤缺氧和免疫微环境有显著改善。此外，尽管化疗药物在一定剂量范围内可以激活肿瘤转移，但外泌体通讯干扰完全逆转了化疗药物的副作用。综上所述，本发明通过切断肿瘤细胞与周围细胞或远处器官之间的串扰，pepabs-py可以作为一种新的肿瘤治疗工具。此外，水凝胶介导的外泌体干扰在未来的免疫调节中具有潜在的临床应用前景。

10、以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。

11、作为本发明的优选技术方案，所述自组装纳米材料的制备原料包括蛋白酶抗性d肽自组装基序和碳酸酐酶抑制剂；

12、所述蛋白酶抗性d肽自组装基序包括：(2-萘乙酸-(d)-phe-(d)-phe-(d)-lys-gly-oh(pep))；

13、所述碳酸酐酶抑制剂包括4-(2-氨基乙基)苯磺酰胺(abs)。

14、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

15、(1)活化剂tcdi(n,n′-硫羰基二咪唑)和碳酸酐酶抑制剂进行活化反应，得到活化碳酸酐酶抑制剂；

16、

17、(2)通过标准固相肽合成方法制备短肽，所述短肽的结构式如下；

18、

19、(3)活化碳酸酐酶抑制剂和短肽反应，得到所述靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料；

20、

21、作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中所述活化剂tcdi和碳酸酐酶抑制剂的摩尔比为(2.0-2.5)：1，例如可以是2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1或2.5:1等。

22、优选地，步骤(1)所述活化反应的温度为20-30℃(例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃等)，时间为12-15h(例如可以是12h、12.5h、13h、13.5h、14h、14.5h或15h等)。

23、优选地，步骤(1)具体如下：将活化剂tcdi溶于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)，得到活化剂tcdi溶液；

24、将碳酸酐酶抑制剂(abs)溶于n,n-二甲基甲酰胺中，然后向其中加入三乙胺调节ph至8.5-9.0后，向其中缓慢加入活化剂tcdi溶液，进行活化反应。

25、优选地，所述活化剂tcdi溶液中，活化剂tcdi的物质的量和n,n-二甲基甲酰胺的体积之间的比值为2mmol：(3ml-4ml)，例如可以是2mmol：3.0ml、2mmol：3.1ml、2mmol：3.2ml、2mmol：3.3ml、2mmol：3.4ml、2mmol：3.5ml、2mmol：3.6ml、2mmol：3.7ml、2mmol：3.8ml、2mmol：3.9ml或2mmol：4ml等。

26、优选地，所述碳酸酐酶抑制剂溶于n,n-二甲基甲酰胺中，所述碳酸酐酶抑制剂的物质的量和n,n-二甲基甲酰胺的体积之间的比值为1mmol：(2ml-3ml)，例如可以是1mmol：2ml、1mmol：2.1ml、1mmol：2.2ml、1mmol：2.3ml、1mmol：2.4ml、1mmol：2.5ml、1mmol：2.6ml、1mmol：2.7ml、1mmol：2.8ml、1mmol：2.9ml或1mmol：3ml等。

27、作为本发明的优选技术方案，步骤(2)所述标准固相肽合成方法制备短肽的方法包括fmoc固相合成方法。

28、优选地，合成所述短肽的氨基酸个数为5个。

29、作为本发明的优选技术方案，所述活化碳酸酐酶抑制剂和短肽的摩尔比为(1.2-1.5)：1，例如可以是1.2:1、1.25:1、1.3:1、1.35:1、1.4:1、1.45:1或1.5:1等。

30、优选地，步骤(3)所述反应的温度为18-37℃(例如可以是18℃、20℃、22℃、24℃、26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃或37℃等)，时间为12-20h(例如可以是12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h或20h等)。

31、优选地，步骤(3)所述反应在碱性物质存在下进行，所述碱性物质包括可调节ph的可溶性无机盐或者有机碱溶液，进一步优选为无水碳酸钠、无水碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠或三乙胺中的任意一种或至少两种的组合。

32、优选地，所述碱性物质为无水碳酸钠。

33、优选地，加入所述无水碳酸钠调节所述反应的ph为8.5-9.0，例如可以是8.5、8.6、8.7、8.8、8.9或9.0等。

34、优选地，步骤(3)所述反应在混合溶剂存在下进行，所述混合溶剂包括水和醇类溶剂的组合。

35、优选地，所述醇类溶剂包括甲醇。

36、优选地，所述水和醇类溶剂的体积比为(1.5-2.5)：1，例如可以是1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1、2:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1或2.5:1等。

37、需要说明的是，本发明对于混合溶剂的用量没有任何特殊的限制，本领域常用的用量范围均适用。

38、作为本发明的优选技术方案，步骤(3)所述反应后还包括后处理的步骤；

39、所述后处理的方法包括使用高效液相色谱法进行提纯。

40、作为本本发明的优选技术方案，所述靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料的制备方法具体包括如下步骤：

41、(1)将活化剂tcdi溶于n,n-二甲基甲酰胺，得到活化剂tcdi溶液；其中，活化剂tcdi的物质的量和n,n-二甲基甲酰胺的体积比为2mmol：(3ml-4ml)；

42、将碳酸酐酶抑制剂(abs)溶于n,n-二甲基甲酰胺中，然后向其中加入三乙胺调节ph至8.5-9.0后，向其中缓慢加入活化剂tcdi溶液，在25℃下进行活化反应12-15h，得到活化碳酸酐酶抑制剂；其中，碳酸酐酶抑制剂的物质的量和n,n-二甲基甲酰胺的体积比为1mmol：(2ml-3ml)，活化剂tcdi和碳酸酐酶抑制剂的摩尔比为(2.0-2.5)：1；

43、

44、(2)通过标准固相肽合成方法制备短肽：即2-氯三苯甲基氯树脂(1.10mmol/g)和具有由叔丁氧基羰基保护侧链氨基，以及fmoc保护主链氨基的各类d型氨基酸反应制得；通过氮气在无水二氯甲烷(dcm)中鼓泡30分钟使树脂溶胀，然后用5ml干燥的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)洗涤三次，加入第一个fmoc保护的磷酸化d y(2eqv.fmoc-d-tyr(h2po3)-oh)和n,n-二异丙基乙胺(dipea)的混合溶液(1ml dmf)，并通过在溶液中鼓泡使树脂与氨基酸c-末端反应40分钟，然后用dmf 5ml洗涤树脂三次，然后将封闭溶液(体积比为16:3:1的dcm/meoh/dipea)加入树脂中以淬灭树脂中未反应的位点并鼓泡40分钟，反应完成后通过dmf洗涤树脂三次随后在树脂中加入5ml体积分数为20％的哌啶并鼓泡30分钟，将保护基团fmoc从树脂上切下，然后将树脂在dmf中洗涤五次，然后加入第二个fmoc保护的氨基酸(2eqv.fmoc-gly-oh)，将dipea(1ml)与苯并三氨唑-n,n,n',n’-四甲基脲六氟磷酸酯(hbtu)(2eqv.)一起溶解在dmf中并与树脂上的裸露的氨基反应，随后加入第三个fmoc保护的氨基酸(2eqv.fmoc-d-lys-boc-oh)，重复这些偶联和去保护步骤加入最后两个fmoc保护的氨基酸(fmoc-d-phe-oh，2eqv.)以及2-萘乙酸(2-nap，2eqv)以延长肽链，这是标准的fmoc spps方案；

45、每个步骤后，将树脂用5mldmf洗涤3次，在最后的步骤中，用dmf(5ml x5)，dcm(5mlx5)，甲醇(5ml x5)和己烷(5ml x5)洗涤树脂，然后通过加入10毫升tfa反应2小时，将多肽从树脂中切下，并在在乙醚中沉淀；收集产物并用高效液相色谱hplc进一步纯化，完成短肽的制备。

46、(3)在碱性物质和混合溶剂存在下，活化碳酸酐酶抑制剂和短肽在18-37℃下反应12-20h，得到所述靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料；

47、

48、其中，活化碳酸酐酶抑制剂和短肽的摩尔比为(1.2-1.5)：1。

49、第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料的应用，所述靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料用于制备治疗肿瘤的药物。

50、作为本发明的优选技术方案，所述肿瘤包括乏氧肿瘤。

51、作为本发明的优选技术方案，所述乏氧肿瘤包括肺癌、结肠癌、乳腺癌、宫颈癌、膀胱癌、卵巢癌、脑部胶质瘤、口腔癌中的至少一种。

52、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

53、本发明通过对靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料进行设计，使得该靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料可在肿瘤细胞的细胞周围空间形成水凝胶、阻止外泌体影响免疫系统、抑制肿瘤生长，为治疗肿瘤药物的开发提供了新思路。

技术特征：

1.一种靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料，其特征在于，所述自组装纳米材料包括具有如下式pepabs-py所示结构的化合物：

2.根据权利要求1所述的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料，其特征在于，所述自组装纳米材料的制备原料包括蛋白酶抗性d肽自组装基序和碳酸酐酶抑制剂；

3.一种如权利要求1或2所述的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述活化剂tcdi和碳酸酐酶抑制剂的摩尔比为(2.0-2.5)：1。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述标准固相肽合成方法制备短肽的方法包括fmoc固相合成方法；

6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述活化碳酸酐酶抑制剂和短肽的摩尔比为(1.2-1.5)：1；

7.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述反应后还包括后处理的步骤；

8.一种如权利要求1或2所述的靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料的应用，其特征在于，所述靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料用于制备治疗肿瘤的药物。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述肿瘤包括乏氧肿瘤。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述乏氧肿瘤包括肺癌、结肠癌、乳腺癌、宫颈癌、膀胱癌、卵巢癌、脑部胶质瘤、口腔癌中的至少一种。

技术总结
本发明提供一种靶向乏氧肿瘤细胞膜阻碍外泌体逃逸的自组装纳米材料及其制备方法和应用。所述自组装纳米材料包括具有化合物PepABS‑<subgt;p</subgt;y。肿瘤细胞表面碳酸酐酶具去磷酸化效应，在肿瘤组织中高特异性表达，不仅在乏氧调节中非常重要，常氧环境中也有重要的调节作用。本发明通过对靶向乏氧的自组装纳米材料进行设计，使得该自组装纳米材料可在乏氧肿瘤细胞的细胞周围空间形成水凝胶、阻止外泌体影响免疫系统、抑制肿瘤生长，为治疗肿瘤药物的开发提供了新思路。

技术研发人员：陈春英,梁诗坚,李佳阳,史可鉴,付文娇,赵宇亮
受保护的技术使用者：国家纳米科学中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5