Chondroityna siarczanowa w nanoterapii nowotworów: przegląd 2020-2025

Czy chondroityna siarczanowa może zrewolucjonizować dostarczanie leków przeciwnowotworowych?

Mimo postępów w nanotechnologii i medycynie onkologicznej, leczenie nowotworów pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej medycyny. Konwencjonalne metody terapeutyczne, takie jak chemioterapia i radioterapia, często nie osiągają optymalnych rezultatów ze względu na poważne działania niepożądane wynikające z braku swoistości działania. Według danych WHO z 2022 roku odnotowano około 20 milionów nowych przypadków nowotworów i 9,7 miliona zgonów związanych z chorobami nowotworowymi na całym świecie.

Chondroityna siarczanowa (CS) – naturalny anionowy mukopolisacharyd z rodziny glikozaminoglikanów – wyłania się jako szczególnie obiecujący biopolimer do projektowania inteligentnych systemów dostarczania leków. CS występuje obficie w macierzy zewnątrzkomórkowej, chrząstce, kościach, skórze, tkance nerwowej i naczyniach krwionośnych. W przeciwieństwie do wielu obojętnych nośników polisacharydowych stosowanych w dostarczaniu leków (np. dekstran, alginian), CS wykazuje wrodzoną aktywność biologiczną, która może działać synergistycznie z enkapsulowanymi terapeutykami.

Niniejszy przegląd systematyczny koncentruje się na najnowszych osiągnięciach badawczych (2020–2025) w zakresie nanoplatform opartych na CS w terapii nowotworów, ze szczególnym uwzględnieniem roli CS w nanostrukturach. Analizowane są przypadki, w których CS stosuje się jako materiał powlekający nanocząstki organiczne lub nieorganiczne, jako integralny komponent struktury nanocząstki oraz w postaci koniugatów CS-lek.

Jakie unikalne właściwości CS decydują o jego przewadze nad innymi polisacharydami?

CS składa się z naprzemiennych kopolimerów kwasu glukuronowego połączonego wiązaniem (β-1,3) i N-acetylogalaktozaminy połączonej wiązaniem (β-1,4). Istnieje w kilku formach izomerycznych, w zależności od liczby i pozycji grup siarczanowych przyłączonych do jednostek disacharydowych. Długość łańcucha i wzór siarczanowania mają kluczowe znaczenie dla właściwości fizykochemicznych CS, wpływając na lepkość, rozpuszczalność, stabilność i zdolność wiązania białek.

Kluczową zaletą CS nad innymi polisacharydami (np. dekstran, alginian, pektyny, chitozan) jest jego silne powinowactwo konformacyjne i elektrostatyczne do receptorów CD44, które są nadekspresjonowane na chondrocytach i komórkach nowotworowych. Poprzez wiązania wodorowe i oddziaływania elektrostatyczne z zasadowymi resztami aminokwasowymi (lizyna i arginina) na powierzchni receptora, CS ułatwia endocytozę za pośrednictwem receptora i zwiększa efektywność targetowania. Co więcej, jego interakcja z E-selektyną zapewnia podwójne możliwości celowania, przewyższające te oferowane przez polisacharydy takie jak kwas hialuronowy, który jest bardziej podatny na degradację enzymatyczną przez hialuronidazę.

CS wykazuje również udokumentowane działanie przeciwzapalne, hamując produkcję mediatorów takich jak fosfolipaza A₂, cyklooksygenaza-2, syntaza tlenku azotu-2 i białko C-reaktywne. W modelach zwierzęcych zapalenia stawów wykazano, że doustne podawanie CS zmniejsza nasilenie choroby, stres oksydacyjny i przewlekłe zapalenie. Poza działaniem przeciwzapalnym CS wykazuje także efekty antyoksydacyjne, wspomaga regenerację tkanek jako naturalny składnik macierzy zewnątrzkomórkowej, a nawet wykazuje potencjał przeciwnowotworowy poprzez hamowanie proliferacji komórek rakowych i indukcję apoptozy.

W jaki sposób CS jako powłoka zwiększa skuteczność organicznych nanocząstek?

Wysokie powinowactwo CS do receptorów CD44 stanowi podstawę jego zastosowania jako materiału powlekającego wstępnie uformowane nanocząstki. Osiąga się to poprzez kompleksację elektrostatyczną między jego ujemnie naładowanymi grupami a dodatnio naładowanymi nanostrukturami lub poprzez wiązanie kowalencyjne z określonymi grupami funkcyjnymi na powierzchni nanocząstki.

Nagy i współpracownicy opracowali nanocząstki N,N,N-trimetylochitozanu (TMCH) o różnych stopniach trimetylacji (23–99%) i masach cząsteczkowych (66–290 kDa), które następnie powleczono CS poprzez kompleksację polielektrolitową. Badania cytotoksyczności na liniach komórek raka jajnika (SKOV-3 i OVISE) wykazały wyższy efekt cytotoksyczny TMCH wobec komórek rakowych w porównaniu z komórkami zdrowymi (ludzkie komórki śródbłonka żyły pępkowej, HUVECs).

Oddziaływanie elektrostatyczne między dodatnio naładowaną doksorubicyną (DOX) a ujemnie naładowanym CS, wraz z silnym powinowactwem między glikozaminoglikanami a białkami, wykorzystano do zaprojektowania nanocząstek korony albuminowej pośredniczonych przez CS, które zwiększyły cytotoksyczną aktywność wektoryzowanego leku. Badania in vivo wykazały znaczne zmniejszenie objętości guza – około 50% przy wolnym DOX i 80% przy nanocząstkach załadowanych DOX – podkreślając synergistyczny efekt terapeutyczny formulacji.

CS zaproponowano również jako składnik powlekający dla nanosystemu β-cyklodekstryna–polietylenimina (β-CyD-PEI) zaprojektowanego do współdostarczania małego interferującego RNA (siRNA) i chemioterapeutyku paklitakselu (PTX). PTX został włączony poprzez oddziaływania gość-gospodarz w obrębie β-CyD, podczas gdy siRNA załadowano poprzez wiązanie elektrostatyczne. Powstałe nanokompleksy wykazały silne aktywne celowanie w kierunku komórek raka piersi nadekspresjonujących CD44. Układ podwójnego dostarczania pozwala PTX hamować proliferację komórek guza, podczas gdy siRNA skierowany przeciwko CD146 (siCD146) hamuje przerzuty i indukuje apoptozę.

W podejściu komplementarnym kurkuminę (CUR) połączono z nanocząstkami srebra (AgNPs) syntetyzowanymi metodą zieloną i poddano naświetlaniu światłem widzialnym poprzez terapię fotodynamiczną (PDT), co wywołało selektywną śmierć komórek rakowych poprzez efekt wzmocnienia tlenu singletowego przez metal. Badania komórkowe potwierdziły, że matryca kompleksu polielektrolitowego była nietoksyczna dla zdrowych tkanek, podczas gdy hydrożele załadowane CUR wykazały wysoką aktywność przeciwnowotworową wobec komórek raka szyjki macicy (IC₅₀ 327 µg/mL), jelita grubego (IC₅₀ 336 µg/mL) i prostaty (IC₅₀ 442 µg/mL).

Czy nieorganiczne nanocząstki z powłoką CS przewyższają konwencjonalne nośniki?

Nanocząstki nieorganiczne wyłaniają się jako liderzy w przezwyciężaniu kilku ograniczeń konwencjonalnej medycyny dzięki swoim unikalnym właściwościom optycznym, elektrycznym, katalitycznym i magnetycznym, które zazwyczaj nie są obserwowane w nanocząstkach organicznych. Wszechstronność nanocząstek nieorganicznych umożliwia ich funkcjonalizację ligandami, polimerami i biomolekułami, znacznie zwiększając wydajność dostarczania leków.

Liang i współpracownicy zaproponowali CS jako powłokę dla nanocząstek węglanu wapnia, szeroko badanego materiału nieorganicznego wykazującego obojętność biologiczną i zdolność do dysocjacji w kwaśnym środowisku tkanek nowotworowych w celu przyspieszenia uwalniania enkapsulowanych leków. Powstałe nanocząstki (~100 nm) wykazały zwiększoną akumulację w komórkach raka płuc nadekspresjonujących CD44, poprawiony wychwyt komórkowy i silniejsze efekty przeciwnowotworowe poprzez indukcję apoptozy zarówno in vitro, jak i in vivo.

CS wykorzystano jako element celujący dla nanoskalowego hydroksyapatytu (HAP). Wiadomo, że HAP może indukować przeciążenie Ca²⁺, co z kolei prowadzi do poważnej cytotoksyczności, ponieważ podwyższone poziomy Ca²⁺ powodują masywny stres oksydacyjny i utlenianie mitochondrialnego DNA. Uwalnianie utlenionego mitochondrialnego DNA do cytoplazmy aktywuje inflamasom NLRP3, wyzwalając rozszczepienie kaspazy-1 i aktywację gasderminy z utworzeniem porów w błonie, ostatecznie powodując obrzęk komórek, pęknięcie błony i uwalnianie mediatorów prozapalnych (IL-1β, IL-18).

Mezoporowate nanocząstki krzemionki (MSN) również skoniugowano z CS poprzez łącznik cystaminy (cys) w celu połączenia ich wewnętrznych właściwości (np. łatwo regulowana morfologia i rozmiar cząstek, hydrofilowość i możliwość modyfikacji powierzchni) z aktywnością celującą CS. CS-MSN współzaładowano PTX i kwercetyny (QR) w celu przezwyciężenia oporności wielolekowej (MDR) w raku piersi. Nanocząstki (~227 nm) wykazały wrażliwe na redoks uwalnianie leku i aktywnie celovały receptory CD44 na komórkach MCF-7/ADR, zwiększając wychwyt komórkowy. QR skutecznie obniżył ekspresję P-gp, zmniejszając wypływ leku i zwiększając retencję PTX w opornych komórkach nowotworowych.

Jak modyfikacje chemiczne CS rozszerzają możliwości terapeutyczne?

Modyfikacja chemiczna CS była również badana jako strategia przygotowania celowanych nanocząstek poprzez powlekanie powierzchni lub nadawanie właściwości samoorganizujących. Utleniony CS (OCS) został wykorzystany jako środek żelujący do in situ formowania wstrzykiwalnych hydrożeli poprzez reakcję grup aldehydowych OCS z cząsteczkami bogatymi w NH₂ i tworzenie odwracalnych wiązań zasad Schiffa.

Koniugat metoksypolietylenglikol-CS (mPEG-CS) został zaproponowany jako powłoka do celowanego dostarczania proleku platyny(IV) do nowotworów jajnika i jelita grubego. W jednym podejściu prolek chloryny e6 (Ce6)-Pt(IV) i pochodna poliaspartamidu (PAS)-mPEG zostały skoniugowane poprzez chemię EDC, skoordynowane z kompleksem kwas galusowy (GA)-Fe³⁺ i ostatecznie powleczone mPEG-CS w celu neutralizacji dodatniego ładunku nanosystemu. W raku jelita grubego kwaśne warunki środowiska mikrośrodowiska guza i lizosomów wewnątrzkomórkowych indukują dysocjację kompleksu GA-Fe³⁺ z Ce6-Pt(IV), umożliwiając terapię fotodynamiczną poprzez aktywację Ce6-Pt(IV) po naświetlaniu czerwonym światłem.

Poza zastosowaniem jako element powlekający inne podejście obejmowało wykorzystanie CS jako składnika strukturalnego w architekturze nanocząstek. W szczególności wprowadzenie lipofilowych fragmentów do struktury CS pozwoliło na rozwój amfifilowych pochodnych CS zdolnych do samoorganizacji w środowiskach wodnych. Zaproponowano różne strategie osiągnięcia tego celu, głównie obejmujące zastosowanie cholesterolu i/lub kwasów tłuszczowych jako środków derywatyzujących.

Cholesterol (Chl) został zastosowany w projektowaniu nanocząstek ze względu na jego fundamentalną rolę jako składnika błon komórkowych, co ułatwia przenikanie leków, lub ze względu na jego podwyższone poziomy w surowicy w tkankach rakowych, które podtrzymują niekontrolowany wzrost komórek rakowych. Otrzymano mono- i dwuodpowiedzialne systemy dostarczania DOX poprzez samoorganizację koniugatów CS-Chl syntetyzowanych przy użyciu łączników mrówczanowych i bursztynianowych/tioketalowych.

Kwas deoksycholowy (DChA) został również zastosowany jako hydrofobowy fragment amfifili CS do leczenia raka piersi opartego na DOX zarówno w modelach in vitro, jak i in vivo. Zaproponowano strategie podwójnego celowania z peptydem CDVEWVDVS i aptamerem AS1411 służącymi jako elementy celujące odpowiednio P-selektynę i nukleolinę. Koniugat CS-DChA został zsyntetyzowany przy użyciu cys jako wrażliwego na redoks łącznika w celu wyzwolenia uwalniania leku w mikrośrodowisku guza.

Czy bezpośrednie koniugaty CS-lek są przyszłością terapii celowanej?

Koniugacja leków przeciwnowotworowych z CS z otrzymaniem polimerowych proleków stanowi cenne podejście do syntezy skutecznych nośników dostarczania. W porównaniu z ich niskocząsteczkowymi odpowiednikami polimerowe proleki oferują kilka zalet: poprawioną rozpuszczalność w wodzie słabo rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych leków, ochronę leku przed dezaktywacją, poprawione właściwości farmakokinetyczne, zmniejszoną antygenowość i potencjał do pasywnego lub aktywnego celowania leku do jego specyficznego miejsca działania.

Układy micelarne wrażliwe na środowisko opracowano poprzez koniugację leków przeciwnowotworowych z CS za pomocą odpowiednich rozszczepianych spacerów. Koniugaty CS-DTX i CS-flurbiprofenu (CS-FBP) współorganizowano w monodyspersyjne micele o średniej średnicy około 200 nm, łącząc w ten sposób komplementarne efekty przeciwnowotworowe DTX i inhibicji COX-2 w promowaniu apoptozy komórek rakowych. DTX działa poprzez wiązanie z tubuliną, stabilizację mikrotubul i zakłócanie mitozy, podczas gdy FBP hamuje produkcję prostaglandyny E₂, zmniejszając w ten sposób proliferację komórek i angiogenezę.

Samoorganizujący się koniugat CS-DOX zsyntetyzowany z kwasem adypinowym dihydrazydem (ADH) jako łącznikiem wrażliwym na pH opracowano do skojarzonego leczenia DOX/berberyna (Ber) raka piersi. Poprzez jednoczesne indukowanie apoptozy przez DOX i przebudowę mikrośrodowiska guza poprzez Ber nanoplatforma osiągnęła wyraźne zahamowanie wzrostu guza wynoszące około 95%.

Koniugat CS-chloryna e6 (Ce6) został zaproponowany do skojarzonej terapii fotodynamicznej i chemioterapii opartej na DOX/PTX w raku piersi, przy czym zastosowanie cys jako łącznika pozwoliło na zachowanie wrażliwe na redoks. W pierwszym przypadku nanocząstki o średnicy 270 nm posiadały wyższą aktywność przeciwnowotworową wobec komórek 4T1 i MDA-MB-231. Koniugat CS-ICG został wykorzystany jako celowany nośnik dostarczania dla erastyny (ERS), silnego induktora ferroptozy i inhibitora systemu xc⁻ z istotnymi ograniczeniami klinicznymi ze względu na słabe właściwości fizykochemiczne i farmakokinetyczne.

Reina (Rh), naturalnie występująca antrachinon o różnych aktywnościach farmakologicznych, w tym aktywności generującej ROS, została również skoniugowana z CS do leczenia sonodynamicznego czerniaka i nowotworów płuc. W pierwszym przypadku koniugacja CS z Rh poprawiła rozpuszczalność, zdolność celowania guza i aktywność przeciwnowotworową w porównaniu z wolnym Rh. Co więcej, połączenie z perfluorowęglem (PFC) umożliwiło nanocząstkom przenoszenie i dostarczanie tlenu do komórek czerniaka B16F10, co skutkowało wyższą produkcją ROS i silniejszym hamowaniem guza zarówno in vitro, jak i in vivo.

Jakie są perspektywy klinicznego wdrożenia nanoplatform CS?

Nanocząstki oparte na CS wyłoniły się jako obiecująca klasa inteligentnych nanomedycyn do terapii nowotworów, oferując unikalną kombinację aktywności biologicznych i wszechstronności fizykochemicznej. Ich wewnętrzne właściwości przeciw angiogenne i przeciwprzerzutowe, wraz z efektami immunomodulującymi, czynią je atrakcyjnymi kandydatami do celowania komórek nowotworowych przy jednoczesnej minimalizacji toksyczności pozadocelowej. Te właściwości, w połączeniu z ich potencjałem do zastosowań teranostycznych, umożliwiają jednoczesne dostarczanie środków terapeutycznych i cząsteczek obrazujących, wspierając zarówno leczenie, jak i diagnostykę raka.

Mimo obiecujących wyników translacja kliniczna nanocząstek CS pozostaje ograniczona. Główną barierą dla komercjalizacji, podobnie jak w przypadku innych systemów nanocząstek, jest zatwierdzenie regulacyjne. Producenci muszą wykazać zarówno krótko-, jak i długoterminowe bezpieczeństwo i skuteczność u ludzi – proces, który jest wysoce pracochłonny i czasochłonny. Pojawiające się techniki, takie jak mikroemulsja, nanoprecipitacja, mikrofluidyka i samoorganizacja, oferują skalowalne, powtarzalne i opłacalne alternatywy dla produkcji nanocząstek CS, zapewniając ściślejszą kontrolę nad rozkładem wielkości, wydajnością enkapsulacji i stabilnością.

Sztuczna inteligencja (AI) i modelowanie obliczeniowe odgrywają coraz ważniejszą rolę w optymalizacji projektowania nanocząstek opartych na CS. Tradycyjne narzędzia obliczeniowe, takie jak dokowanie molekularne, dynamika molekularna i ilościowe zależności struktura-aktywność (QSAR), od dawna wspierają formułowanie nanocząstek, ale ich integracja z AI, uczeniem maszynowym, głębokim uczeniem i analityką big data zapewnia teraz znacznie potężniejsze możliwości predykcyjne. Te zintegrowane podejścia umożliwiają dokładne prognozowanie wydajności ładowania leku, kinetyki uwalniania, interakcji komórkowych i dystrybucji systemowej.

Patrząc w przyszłość, nanocząstki oparte na CS mają znaczący potencjał dla rozwoju przyjaznych pacjentowi, kontrolowanych i potencjalnie samodzielnie podawanych terapii nowotworowych, szczególnie gdy projektowanie wspierane przez AI nadal wykazuje swój transformacyjny potencjał. Poprzez integrację projektowania kierowanego AI z dostarczaniem celowanym na organelle, modulacją wielu szlaków terapeutycznych i strategicznym angażowaniem mechanizmów immunologicznych nanomedycyny CS mogą przezwyciężyć wiele ograniczeń związanych z konwencjonalnymi metodami leczenia raka.