近日，清華大學藥學院錢鋒課題組發表了藥物遞送領域的綜述論文。KRAS突變是最常見的腫瘤相關基因突變之一，尤其高發於胰腺癌、肺癌和結直腸癌。長期以來，KRAS突變一直被認為是不可成藥的靶點，除了針對G12C突變亞型的抑制劑成功開發外，直接靶向KRAS突變的進展仍然有限。科學家們嘗試利用KRAS突變細胞異常的代謝行為進行選擇性的藥物遞送。巨胞飲作用是一種非選擇性的內吞途徑，在KRAS突變的腫瘤細胞中上調，並對細胞的營養獲取和存活增殖起著關鍵作用。研究者們觀察到多種藥物遞送系統可以被KRAS突變的癌細胞透過巨胞飲作用內吞，利用巨胞飲作用將治療藥物遞送至KRAS突變腫瘤細胞正在成為一種新的藥物遞送探索。論文回顧了KRAS突變誘導的巨胞飲作用的腫瘤生物學研究，總結了最近利用增強的巨胞飲對KRAS突變癌細胞進行選擇性藥物遞送的研究，並討論了這種遞送策略用於抗腫瘤治療的潛在機遇和挑戰。
論文在《Theranostics》發表
巨胞飲對細胞外物質的主動轉運是活細胞的基本活動之一，是完成訊號轉導、營養吸收、抗原攝取等許多重要生物學功能所必需的。主要的內吞途徑包括巨胞飲作用（Macropinocytosis）、網格蛋白介導的內吞作用、小窩介導的內吞作用和網格蛋白/小窩非依賴的內吞作用，不同途徑具有不同的調節機制。其中，巨胞飲作用是細胞從外部環境中攝取液體和溶質的一種內吞途徑，它被認為是不依賴受體、依賴肌動蛋白的非選擇性內吞途徑。早在 1931 年，沃倫·路易斯（Warren Lewis）就從形態學上描述了這一過程：在生長因子刺激下，大鼠巨噬細胞中觀察到質膜的波浪狀片狀延伸，並演變成直徑大於0.2μm的囊泡，他將這種活動命名為胞飲作用（後來更名為巨胞飲作用），在該途徑中產生的囊泡稱為巨胞飲體。巨胞飲作用對Na⁺/H⁺exchangers(NHE)抑制劑敏感，其原理是在NHE被抑制後，H⁺滯留在細胞內，導致細胞溶質pH值降低，繼而影響巨胞飲過程的關鍵蛋白Rac1 和Cdc4 向質膜的募集和啟用。因此，NHE抑制劑阿米洛利及其類似物5-（乙基-N-異丙基）阿米洛利 (EIPA)作為巨胞飲作用的特異性抑制劑廣泛用於鑑別巨胞飲作用。
巨胞飲作用的特徵之一是它可以受到生長因子（包括EGF）的刺激。RAS位於EGFR訊號通路的下游，可以被生長因子刺激或致癌突變啟用，從而刺激巨胞飲作用所必需的訊號轉導通路，包括Rac1、Cdc42等。哺乳動物細胞中存在三種RAS亞型：HRAS、KRAS和NRAS。Bar-Sagi和Feramisco早在1986年就報道了致癌HRAS蛋白誘導的巨胞飲作用。KRAS突變的不同亞型與巨胞飲作用的關係均有研究， G12C、G12D、G12V亞型在不同的研究中顯示出誘導巨胞飲作用的能力，但G12R除外。NRAS相關巨胞飲的研究則未見報道。
巨胞飲作用是一種普遍的細胞過程，在KRAS突變的腫瘤細胞和正常細胞中都存在。因此，定量分析KRAS突變的腫瘤細胞和 KRAS野生型的正常細胞的巨胞飲作用水平有助於理解這種“增強的巨胞飲作用”在多大程度上可以被用來提高藥物遞送的選擇性。迄今為止，大多數文獻報道了採用Commisso等人報道的方法檢測巨胞飲水平，即將細胞或組織樣品在含有1-2 mg/mL熒游標記葡聚糖（一種巨胞飲的底物）的無血清培養基中培養30分鐘，然後使用熒光顯微鏡統計細胞中的平均熒光點數。儘管KRAS突變的腫瘤細胞巨胞飲作用升高已被不同實驗室反覆驗證，但各項研究報道的巨胞飲水平絕對數值差異很大，目前對於KRAS突變增強巨胞飲作用的程度仍難以定論。
KRAS突變腫瘤細胞增強的巨胞飲這一生物學現象提示了一種潛在的藥物遞送策略：假設某個藥物遞送系統可以透過巨胞飲作用更多的被腫瘤細胞攝取，而更少的被正常細胞攝取，那麼意味著這個藥物遞送系統可能存在一定的KRAS突變細胞選擇性，有望提高荷載藥物在KRAS突變細胞中的遞送效率。
圖1 透過巨胞飲機制被KRAS突變細胞內吞的藥物遞送系統
白蛋白相關的藥物系統是研究最多的巨胞飲底物之一。人血清白蛋白（HSA）是人體內含量最豐富的血清蛋白， KRAS突變的胰腺癌細胞可以透過巨胞飲作用攝取胞外白蛋白並將其降解為氨基酸，作為重要的營養來源。有研究表明，將小分子藥物阿黴素與天然白蛋白共價偶聯，可以模擬白蛋白的內吞和細胞內轉運過程，從而利用增強的巨胞飲作用擴大細胞毒性藥物在KRAS突變胰腺癌腫瘤模型中的治療視窗。Abraxane是白蛋白結合型紫杉醇（nab-PTX），目前與吉西他濱聯合用作晚期胰腺癌的一線治療。有研究在肺癌的轉基因腫瘤模型中，透過EIPA抑制實驗和nab-PTX與熒光葡聚糖的亞細胞共定位實驗驗證了KRASG12D的腫瘤細胞對nab-PTX的巨胞飲攝取；該研究還發現，在KRAS野生型的腫瘤細胞中的誘導瞬時的 KRASG12D過表達增強了nab-PTX的攝取。除了小分子外，白蛋白也被用於遞送蛋白質/肽類藥物，多項研究報道了白蛋白與治療性蛋白/肽的融合蛋白也可以透過巨胞飲的方式進入KRAS突變的腫瘤細胞。除了白蛋白相關的藥物遞送系統外，研究者們還報道了不同的藥物遞送載體，可以被KRAS突變的腫瘤細胞透過巨胞飲作用內吞，包括脂質、高分子聚合物、外泌體和無機奈米顆粒等，如圖1。
多項獨立研究表明，KRAS突變的腫瘤細胞具有增強的巨胞飲作用，這些細胞透過巨胞飲作用內吞胞外蛋白質並將其降解為氨基酸，為腫瘤細胞的生物合成提供營養來源。除了胞外蛋白，許多藥物遞送載體也可以透過巨胞飲作用進入KRAS突變的腫瘤細胞，這些發現鼓勵研究者們嘗試利用巨胞飲作用將藥物選擇性地輸送到KRAS突變的腫瘤細胞中。
要將這種藥物遞送策略往臨床應用推進，仍然面臨一些未知和挑戰：一是人們對巨胞飲過程在分子層面的認識仍然有限。目前用於鑑定一個藥物遞送載體是否透過巨胞飲機制內吞，僅有的手段是使用EIPA抑制劑，這種方法的特異性和準確性不足。因此，非常需要開發高度特異的化學和遺傳干擾工具用於識別巨胞飲作用；而這依賴於巨胞飲過程在分子層面的研究。二是缺乏實時、定量的體內巨胞飲水平檢測方法。腫瘤患者是高度異質性的，並非所有患者都能受益於這種藥物遞送策略，如何準確方便的檢測每位患者腫瘤細胞的巨胞飲水平可能是轉化醫學研究的需要解決的技術障礙。三是除了KRAS突變的腫瘤細胞外，一些特殊的細胞型別如巨噬細胞和樹突狀細胞，也存在活躍的巨胞飲，這表明基於巨胞飲的藥物遞送策略可能存在脫靶效應風險。思考這些挑戰，並透過精心設計的研究尋求解決方案將真正幫助我們瞭解巨胞飲，從而指導藥物遞送系統的合理設計，為這種藥物遞送策略未來的臨床應用鋪平道路。
該研究論文於2022年1月1日在藥物遞送領域的知名期刊《Theranostics》線上發表，標題為《利用巨胞飲針對KRAS突變的腫瘤進行藥物遞送》（Exploitingmacropinocytosisfor drug delivery into KRAS mutant cancer）。
清華大學藥學院錢鋒研究員為本文通訊作者，錢鋒組博士後劉慧琴為本文第一作者。錢鋒研究組開展的針對胰腺癌的藥物輸送研究獲得了中國國家自然科學基金（專案號82073769），北京結構生物學高精尖中心的資助。
