「青莲客户文章」转录组学助力药物作用机制研究

Nanonitrator：基于群体学习法研发配比的新型无机硝酸盐增强保护剂

发表期刊：Sci Bull (Beijing)  

IF： 20.577 

发表时间：2023.03.30

研究背景

头颈癌（HNC）是2020年全球第七大常见癌症。放射治疗HNC通常会导致长期HNC幸存者的唾液腺功能低下和口干。症状通常以累积辐射剂量依赖的方式加重，随后导致一系列副作用，如吞咽困难、龋齿、味觉受损和胃肠道疾病，影响预后和患者生活质量。在动物的饮用水或饮食中添加硝酸盐可以通过减少细胞焦亡、降低活性氧水平和激活表皮生长因子受体（EGFR）-丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路来减少辐射诱导的唾液腺细胞损伤。但是无机硝酸盐作为治疗剂的应用受到其低生物稳定性和生物利用度的限制。为了解决这些问题，提供长循环和稳定性的纳米制剂策略对于使用硝酸盐的潜在治疗至关重要。

文章思路

样本策略

• 对照组，不接受治疗或照射

• 单纯放疗组，仅接受放疗

• Nanonitrator组

• 硝酸盐组

• 硝酸盐+VC组

结果速递

1：人工智能筛选模型，以确定适合与硝酸盐联合使用的药物

在药物设计的背景下，结合人工智能，包括大型生物医学数据集、蛋白质设计和药物组合设计，团队成功开发出一种基于群体学习技术的联合用药预测系统（SLCDPS）。通过深度学习模型的训练，预测出VC与硝酸盐配伍是优选的药物组合。之后，选硝酸盐与VC的最佳配比，并采用微囊化技术来优化缓释制剂工艺，制备了基于硝酸盐与VC的新药：Nanonitrator。

团队对Nanonitrator进行表征，分别进行了电镜、粒径等分析（图2（上））；并对药代动力学进行了体内缓释效果研究（图2（下）），结果表明口服Nanonitrator体内导致全身分布和更高的NOx组织水平比硝酸盐+VC或仅硝酸盐，表明其能够作为硝酸盐的潜力治疗药物。

图2：Nanonitrator表征及缓释效果

2：构建动物模型，检测药物疗效

为了确保在体内的吸收及其向唾液腺的传输，测量了下颌下腺组织样本中的NOx浓度。纳米硝酸盐组的平均NOx浓度显著高于硝酸盐+VC组和仅硝酸盐组（图3b）。结果显示对照组的相对唾液流速（%）在所有组中都有所下降，相反在所有硝酸盐处理组中，唾液流速都得到了恢复，其中纳米硝酸盐组表现出最大的改善，其次是硝酸盐+VC组和仅硝酸盐组。在照射后8周，纳米硝酸盐组和仅照射组的唾液流速在统计学上有所不同（图4c）。总的来说，仅辐射组的体重和水分摄入量显著低于硝酸盐处理组；照射8周后，仅照射组的两个下颌下腺的重量显著低于纳米硝酸盐组。组织学评估显示，三个硝酸盐治疗组的下颌下腺腺泡空泡区明显少于仅放疗组；纳米硝酸盐组的腺泡空泡区数量也显著低于仅硝酸盐组和硝酸盐+VC组（图3d，e）。

3：转录组数据探索Nanonitrator调节唾液腺细胞存活的分子机制

文章发现Nanonitrator在照射8周后比仅硝酸盐或硝酸盐+VC能够更好地维持下颌下腺组织功能和形态。为了探索Nanonitrator调节唾液腺细胞存活的分子机制，建立了下颌下腺损伤模型，使用RNA-seq分析了辐射损伤后细胞转录组范围的变化。结果发现Nanonitrator可以激活PI3K-Akt信号通路，抑制细胞死亡，促进辐射后存活。为了进一步证实纳米基体的潜在作用，RNA-seq分析发现了544个差异基因（270个上调，274个下调），PI3K-Akt信号通路在前25个KEGG通路中显著上调（图4d）。

为了确认RNA-seq数据，选择了PI3K-Akt信号通路的核心蛋白，并使用western blot分析验证了测序结果；也检测了PI3KAkt信号通路下游事件中细胞的钙含量，结果显示纳米器可以更好地保护细胞内钙稳态（图4h，i）。

总结

本研究的重点之一是设计一个群体学习系统，用于靶标发现和药物疗效研究，以及制备微封装的无机硝酸盐。作者利用微封装技术制备一种安全的硝酸盐纳米颗粒（Nanonitrator），以更好地预防辐射诱导的唾液腺功能障碍。Nanonitrator通过PI3K-Akt信号通路比单独硝酸盐或硝酸盐+ VC具有更大的保护作用。