劉宏、步文博&李琳琳 JACS : 自組裝銅-氨基酸納米顆粒用于微環境邏輯門控制的化學動力學癌癥治療

【背景介紹】

惡性腫瘤組織由于病理性原因，具有和正常組織不同的微環境，例如弱酸性pH、低氧和高谷胱甘肽(GSH)濃度等。能夠響應特定腫瘤微環境(TME)的納米制劑，可以以最小的侵入性和高特異性殺死癌細胞，有廣泛的應用前景。最近發展的利用含過渡金屬鐵的納米顆粒的化學動力學療法可能在腫瘤區域產生高毒性活性氧(ROS)，實現高特異性和低毒性的動力學腫瘤治療。例如，利用四氧化三鐵、反鐵磁性黃鐵礦和含鐵納米顆粒與腫瘤組織中過量產生的H₂O₂反應，通過Fe²⁺催化的芬頓反應，產生羥基自由基(·OH)殺死腫瘤細胞。但是，盡管這些含鐵的納米制劑可以特異性響應TME，并且具有高的治療特異性和低侵襲性，但是Fe2+催化的芬頓反應僅在強酸條件(pH=2-4)下進行，在生理中性條件和弱酸性腫瘤環境下反應效率相對較低。因此，開發在弱酸性TME中具有高催化活性和特異性的化學動力學納米制劑是非常有意義的。

? ? ? ? 與Fe²⁺催化的芬頓反應相比，Cu⁺催化的類芬頓反應即使在在弱酸性和中性條件下，Cu⁺催化的類芬頓反應也可以高效發生，可達到Fe²⁺芬頓反應速率的160倍。然而，由于Cu²⁺/Cu⁺(~0.16 V)的氧化還原電位低，Cu⁺非常容易被氧化成Cu²⁺，導致在體內納米制劑的類芬頓反應難以發生。因此，如果能夠利用腫瘤微環境中的特異性分子控制Cu⁺在腫瘤組織的特異性產生，進而通過類芬頓反應生成ROS，實現高特異性的腫瘤殺傷，將是非常巧妙且有意義的。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與納米系統所李琳琳研究員、華東師范大學的步文博教授和山東大學劉宏教授（共同通訊作者）等人設計了一種自組裝銅-氨基酸硫醇鹽納米顆粒（Cu-Cys NPs），可以按照“AND”邏輯門依次響應腫瘤微環境中的谷胱甘肽和H₂O₂，產生羥基自由基以實現化學動力學治療癌癥。首先，通過內吞作用到腫瘤細胞內的Cu-Cys NPs與局部GSH反應，GSH將Cu²⁺還原為Cu⁺并耗盡GSH。第二步，Cu⁺與局部H₂O₂反應，通過類Fenton反應生成高毒性的羥基自由基(·OH)，這一反應在弱酸性TME中具有高反應速率，有效誘導腫瘤細胞凋亡。由于腫瘤中GSH和H₂O₂與正常細胞相比特異性高濃度存在，GSH和H₂O₂控制的“AND”邏輯門對Cu-Cys NPs的“還原-氧化”進行精準的時空控制，對癌細胞表現出高細胞毒性，而對正常細胞的毒性極低。小鼠體內實驗證實了Cu-Cys NPs能有效抑制耐藥乳腺癌生長而不引起明顯的全身毒性。作為腫瘤微環境特異性響應的新型硫醇銅納米制劑，Cu-Cys NPs在化學動力學癌癥治療中具有巨大潛力。研究成果以題 “Self-Assembled Copper?Amino Acid Nanoparticles for in Situ Glutathione “AND” H2O2 Sequentially Triggered Chemodynamic Therapy” 發表在國際著名期刊JACS上。

山東大學博士生馬保金和中科院北京納米能源所博士生王舒是文章的并列第一作者。

【圖文解析】

圖一、Cu-Cys NPs合成工藝和含銅納米制劑介導的化學動力學治療的示意圖

圖二、Cu-Cys NPs的理化表征
（a）Cu-Cys NPs的SEM（左）和TEM（右）圖像；

（b）L-胱氨酸和Cu-Cys NPs的HRTEM圖像；

（c）Cu-Cys NPs和L-胱氨酸的XRD圖譜；

（d）半胱氨酸、Cu-Cys NPs和L-胱氨酸的FT-IR光譜；

（e）Cu-Cys NPs的Cu 2p XPS光譜；

（f）EPMA對Cu-Cys NPs的S和Cu元素映射mapping；

（g）EPMA對Cu-Cys NPs中S和Cu的定量分析。
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圖三、Cu-Cys NPs體外化學治療機制
（a）Cu-Cys NPs與GSH 反應產物（Cu-G）的激發和發射光譜；

（b）Cu-G的XPS能譜；

（c）pH = 7.4時，MB降解顯示由Cu（I）和H₂O₂之間的類Fenton反應可以產生·OH；

（d）MB在不同時間點的降解過程；

（e）在不同pH條件下的MB降解速率；

（f）TPA與產生的·OH-誘導的熒光增強的反應。
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圖四、Cu-Cys NPs的細胞毒性和細胞內產生ROS
（a）Cu-Cys NPs培養24 h的不同癌細胞和正常細胞的存活率；

（b）Cu-Cys NPs培養48 h的不同癌細胞和正常細胞的存活率；

（c）HeLa細胞和ADSCs的活/死染色；

（d）Cu-Cys NPs處理的MCF-7R細胞中Cu和S的EPMA mapping；

（e） MCF-7R細胞中內吞的Cu-Cys NPs和胞內GSH的反應，反應產物具有紅色熒光；

（f）100 μg mL^-1的Cu-Cys NPs處理前后MCF-7R細胞中的GSH/GSSG比率；

（g）Cu-Cys NPs處理之前和之后，ADSCs和MCF-7R細胞中的ROS染色；

（h）相對ROS應激水平；

（i）100 μg mL^-1的Cu-Cys NPs處理后，細胞流式分析顯示MCF-7細胞中的亞G1比率。

圖五、NOD-SCID免疫缺陷小鼠的MCF-7R原位異種移植瘤中使用Cu-Cys NPs與DOX進行體內癌癥化療
（a）顯示Cu-Cys NPs處理期間小鼠中腫瘤大小的照片；

（b）治療期間小鼠的體重變化曲線；

（c）治療期間腫瘤大小的變化曲線；

（d）治療40 d后來自MCF-7R荷瘤小鼠的腫瘤的數碼照片；

（e）治療后MCF-7R荷瘤小鼠內腫瘤的平均質量；

（f）MCF-7R荷瘤小鼠的腫瘤切片的H＆E染色和TUNEL染色；

（g）治療后主要組織的組織學分析。

【小結】

總之，研究人員通過簡單的化學配位過程合成了自組裝的Cu-Cys NPs，利用腫瘤細胞內特異性高濃度的GSH和H₂O₂實現了“AND”邏輯門控制的還原-氧化反應誘導ROS產生，實現化學動力學療法高特異性、高效地殺死癌細胞。小鼠的體內實驗結果證實，與同等劑量的臨床化療藥物阿霉素的低腫瘤抑制率和高毒性相比，Cu-Cys NPs可以有效地抑制耐藥乳腺癌生長而沒有明顯的全身毒性。因此，作為一種新型金屬有機硫醇鹽納米制劑，Cu-Cys NPs在特異性癌癥化學動力學治療方面具有潛力。

文獻鏈接：Self-Assembled Copper?Amino Acid Nanoparticles for in Situ Glutathione “AND” H2O2 Sequentially Triggered Chemodynamic Therapy?(JACS, 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b08714)
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通訊作者及團隊介紹

李琳琳，中科院北京納米能源與系統研究所研究員，納米能源與生物傳感課題組負責人。2002年獲安徽大學學士學位，2005年獲北京師范大學碩士學位，2008年獲中科院理化所博士學位。曾獲2014年中科院盧嘉錫青年人才獎，2015年中科院青年促進會會員。主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金等10余項項目。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等學術期刊發表第一/通訊作者39篇，論文共被引用5000余次，H-index為32，獲授權發明專利7項，參編英文專著3章。

網頁鏈接：http://www.escience.cn/people/linlinnano/

步文博，華東師范大學教授，國家杰出青年基金獲得者，科技部中青年科技創新領軍人才。2002年于南京工業大學獲博士學位，同年進入中國科學院上海硅酸鹽研究所工作。2016年起作為特聘教授（二級）加盟華東師范大學化學與分子工程學院，擔任上海市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室常務副主任、華東師范大學第三屆科學研究委員會委員、化學院學術委員會副主任。以第一、通訊作者在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等學術期刊上發表論文60余篇，論文SCI他引7000余次；獲授權中國發明專利多項。

網頁鏈接：https://faculty.ecnu.edu.cn/s/3327/main.jspy

劉宏，山東大學晶體材料國家重點實驗室，濟南大學前沿交叉科學研究院博士生導師，國家杰出青年基金獲得者。主持了十五、十一五、十二五863、國家自然科學基金重大項目課題、重點項目，作為首席專家主持了十三五國家重點研發項目和自然基金重大項目。在Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Fun. Mater.、Environ. Eng. Sci.等學術期刊上發表SCI文章200余篇，其中，影響因子大于10的近30篇，文章被引次數超過11000次，H因子為50，2015年度進入英國皇家化學會期刊“Top 1% 高被引中國作者”榜單。授權專利30余項，研究成果已經在相關產業得到應用。

網頁鏈接：http://www.liugroup.sdu.edu.cn/

本文由材料人高生組小胖紙編譯，材料人整理。

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