蘇州大學劉莊Adv. Funct. Mater.：基于氟化卟啉的共價有機聚合物作為氧氣納米梭用于腫瘤缺氧緩解和增強光動力療法

【引言】

腫瘤缺氧是腫瘤的一個惡性特點，其能夠促進腫瘤的進一步生長和轉移，同時腫瘤缺氧會嚴重影響腫瘤的治療效果。光動力治療是利用活性氧來實現腫瘤治療的一種方法，在臨床前和臨床研究中都被證實較為有效，但是腫瘤缺氧仍然會限制光動力治療的實際效果。因此，近些年來發展出了多種旨在通過抑制腫瘤缺氧來提高腫瘤治療效果的方法。例如通過增加腫瘤血流量或者分解腫瘤內H₂O₂實現腫瘤的有效氧合。此外，氧氣納米梭也被開發出來，實現了直接向腫瘤部位輸送氧氣。納米共價有機聚合物具有明確組成和孔結構，在藥物負載和疾病治療等方面發揮了重要作用，然而這類納米共價有機聚合物還沒有被作為納米氧氣納米梭用于腫瘤的光動力治療中。

【成果簡介】

近日，蘇州大學劉莊教授與馮良珠助理研究員制備了一種多功能氟化的共價有機聚合物，其在冷凍干燥處理后仍顯示出優異的生理穩定性，然后全氟-15-冠-5-醚(PFCE)被負載到該共價有機聚合物中，進而實現高效的氧氣負載。研究表明，基于PFCE的氧氣傳輸能力，能夠實現有效的腫瘤氧合，進而在660納米激光照射下取得良好的光動力治療效果。該成果以題為"Covalent Organic Polymers Based on Fluorinated Porphyrin as Oxygen Nanoshuttles for Tumor Hypoxia Relief and Enhanced Photodynamic Therapy"發表在Advanced Functinal Materials上。

【圖文導讀】

圖1 氟化納米共價有機聚合物（COP）的合成與表征

(a) THPP_pf-PEG的合成路線以及隨后的PFCE負載示意圖；

(b) 游離態THPP和THPP_pf-PEG在甲醇中的UV–vis–NIR 吸收光譜；

(c) THPP_pf-PEG的TEM照片；

(d) 新鮮制備以及冷凍干燥后再水化的THPP_pf-PEG的DLS的尺寸分布曲線；

(e) 利用GC-MS測試的THPP_pf–PEG and THPP_sea–PEG的PFCE負載能力；

(f) THPP_pf–PEG、PFCE@THPP_pf–PEG和THPP_sea–PEG的氧氣負載能力；

(g) 暴露于660 nm LED（10mW cm^-2）時通過SOSG熒光強度來評估得到的THPP_pf–PEG、PFCE@THPP_pf–PEG和THPP_sea–PEG的光動力學效應。

圖2 THPPpf–PEG和PFCE@THPPpf–PEG的細胞內內化特征、光動力效應和生物相容性

(a) 與THPP_pf-PEG一起孵化1、2和4小時，通過激光共聚焦顯微鏡觀察4T1細胞的細胞內內化特征；

(b) 在有無光照射條件下，與THPP_pf-PEG和PFCE @ THPP_pf-PEG一起孵化時通過激光共聚焦顯微鏡觀察4T1細胞的活性氧產生情況；

(c) 660 nm LED 光照下，使用不同濃度的THPP_pf-PEG和PFCE @ THPP_pf-PEG處理4T1細胞后的相對細胞活力；

(d) 無660 nm LED 光照下，使用不同濃度的THPP_pf-PEG和PFCE @ THPP_pf-PEG處理4T1細胞后的相對細胞活力。

圖3 THPP_pf-PEG和PFCE @ THPP_pf-PEG的體內SPECT成像和藥代動力學

(a) 體內注射THPP_pf-PEG后不同時間間隔記錄的4T1荷瘤小鼠的SPECT圖像；

(b) 體內注射PFCE @THPP_pf-PEG后不同時間間隔記錄的4T1荷瘤小鼠的SPECT圖像；

(c) (a)和(b)中SPECT圖像感興趣區域（ROI）的定量分析；

(d) 4T1荷瘤小鼠靜脈注射THPP_pf-PEG和PFCE @THPP_pf-PEG后的血液循環曲線；

(e) 24小時4T1荷瘤小鼠內THPP_pf-PEG和PFCE @THPP_pf-PEG的生物分布情況。

圖4體內腫瘤氧合

(a) 腫瘤氧合過程的示意圖；

(b) 以Oxy-hemo模式記錄的體內注射THPP_pf-PEG和PFCE @THPP_pf-PEG 24小時后小鼠體內4T1腫瘤的PA圖像；

(c) 圖(b)中的紅色虛線圓圈所示PA圖像所對應sO2平均總值的定量分析；

(d) 分別注射THPP_pf-PEG和PFCE @THPP_pf-PEG 4和24小時后從小鼠體內收集的腫瘤切片的離體免疫熒光染色；

(e) 不同處理切片的陽性缺氧區域百分比的半定量分析。

圖5 用PFCE @ THPPpf-PEG進行體內增強的PDT治療

(a) 治療后四組小鼠的腫瘤生長曲線；

(b) 14天時不同治療后每組的平均腫瘤質量；

(c) 各種治療后在24小時從小鼠體內收集的腫瘤切片H&E染色；

(d) 各種治療后在24小時從小鼠體內收集的腫瘤切片TUNTL染色。

圖6 靜脈注射后PFCE @ THPP_pf-PEG的體內長期毒性

(a) 1，3，7和14天注射后肝或腎功能標志物丙氨酸氨基轉移酶；

(b) 1，3，7和14天注射后肝或腎功能標志物天冬氨酸氨基轉移酶；

(c) 1，3，7和14天注射后肝或腎功能標志物天冬氨酸氨基轉移酶血尿素氮；

(d) 1，3，7和14天注射后涉及白血細胞血液水平的血液常規；

(e) 1，3，7和14天注射后涉及紅血細胞血液水平的血液常規；

(f) 1，3，7和14天注射后涉及平均紅細胞體積血液水平的血液常規；

(g) 1，3，7和14天注射后涉及分血器血液水平的血液常規；

(h) 1，3，7和14天注射后涉及血小板血液水平的血液常規；

(i) 1，3，7和14天注射后涉及血紅蛋白血液水平的血液常規。

【小結】

本文中報道了一種氟化的納米共價有機聚合物(THPP_pf–PEG)，研究發現其具有優異的生理穩定性，因為實現了全氟-15-冠-5-醚(PFCE)的高效負載。所制備的PFCE@THPP_pf–PEG不僅可以作為納米氧氣梭，還是高效的光動力劑。PFCE@THPP_pf–PEG可以實現在肺部的氧氣負載，并進而將氧氣釋放到腫瘤中。在660納米激光照射下，獲得了優異的腫瘤光動力治療效果。

文獻鏈接：Covalent Organic Polymers Based on Fluorinated Porphyrin as Oxygen Nanoshuttles for Tumor Hypoxia Relief and Enhanced Photodynamic Therapy??(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804901)

【團隊類似文獻】

Min Gao, Chao Liang, Xuejiao Song, Qian Chen, Qiutong Jin, Chao Wang, and?Zhuang Liu*. “Erythrocyte Membrane-Enveloped Perfluorocarbon as Nanoscale Artificial Red Blood Cells to Relieve Tumor Hypoxia and Enhance Cancer Radiotherapy” Adv. Mater., 29(35), 1701429 (2017)?

Guosheng Song, Chenghong Ji, Chao Liang, Xuejiao Song, Xuan Yi, Ziliang Dong, Kai Yang, and?Zhuang Liu*. “TaOx Decorated Perfluorocarbon Nanodroplets as Oxygen Reservoirs to Overcome Tumor Hypoxia and Enhance Cancer Radiotherapy” Biomaterials, 112, 257-63 (2017)??

Xuejiao Song, Liangzhu Feng, Chao Liang, Kai Yang, and?Zhuang Liu*. “Ultrasound Triggered Tumor Oxygenation with Oxygen-Shuttle Nanoperfluorocarbon to Overcome Hypoxia-Associated Resistance in Cancer Therapies” Nano Lett., 16, 6145–6153(2016)??

Guosheng Song, Chao Liang, Xuan Yi, Qi Zhao, Liang Cheng, Kai Yang, and?Zhuang Liu*., “Perfluorocarbon Loaded Hollow Bi2Se3 Nanoparticles for Timely Supply of Oxygen under Near-Infrared Light to Enhance Radiotherapy of Cancer” Adv. Mater., 28, 2716–2723 (2016)??

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