中國藥科大學 Nano Lett.報道: 納米配位聚合物協同NO和化學動力學用于治療肝癌

【背景介紹】

? ? ? ?一氧化氮（NO）是一種氣體傳遞物，在心血管穩態、神經傳遞和免疫反應等各種生理和病理過程中起著重要作用。其中，目前越來越多的證據表明在癌癥生物學領域，相對高水平的NO可作為細胞毒性和細胞凋亡誘導劑。NO在與氧氣分子（O₂）、超氧離子（·O₂^-）和過渡金屬反應后，會形成NO₂、N₂O₃、ONOO^-等各種活性氮氧物質（RNOS），生成的活性氮氧物質會氧化DNA并誘導單鏈斷裂，進而導致腫瘤細胞的凋亡。同時，它們還通過硝化和亞硝基化反應調節腫瘤細胞中的氧化還原酶、蛋白酶和磷蛋白酶等各種代謝酶的活性。特別是，ABC轉運蛋白（P-gp）中酪氨酸殘基的硝化導致P-gp的轉運功能喪失，減少腫瘤細胞對藥物的外排，從而抑制細胞的耐藥性。多項研究還發現NO可增強化學療法、光動力療法（PDT）和超聲（US）療法等其他治療方法的功效。

? ? ? ? ?盡管通過對一氧化氮供體結構的巧妙的設計，能夠通過簡單地調節pH、光照、溫度來控制供體產生NO的速率，但NO供體在對腫瘤部位的精確靶向和靶位處的控制釋放在癌癥治療應用方面仍然是一個挑戰。因此，在聚合物納米載體、二氧化硅顆粒、金納米顆粒和CaCO₃納米顆粒的內部或表面攜帶NO供體，用以克服小分子NO供體的缺點。這些納米載體利用EPR效應可改善NO供體的循環穩定性，避免全身分布，并增加在腫瘤處的NO積累。然而，目前用于NO供體遞送的納米載體仍具有以下的缺點：（1）供體的負載效率低；（2）非活性的納米載體導致原子經濟性低；（3）載體復雜的結構限制其潛在臨床應用；（4）難以降解的載體導致低的釋放效率，以上缺點致使協同療法的優勢難以發揮。

【成果簡介】

最近，中國藥科大學的丁婭教授和黃張建研究員（共同通訊作者）等人報道了一種谷胱甘肽（GSH）敏感的NO供體{1, 5-雙[(L-脯氨酸-1-基)二氮烯-1-鎓-1, 2-二醇-O2-基] -2,4-二硝基苯，BPDB }，通過簡單的沉淀和離子交換過程，與鐵離子配位形成納米配位聚合物（NCP），提高了NO的精確靶向性和協同治療效果。其中，所制備的Fe(II)-BNCP具有良好的溶解性、生物相容性和體內循環穩定性。聚合物結構中的NO供體在腫瘤細胞內高濃度谷胱甘肽條件下快速釋放NO，亞鐵離子在腫瘤高濃度H₂O₂微環境條件下通過Fenton反應和Haber-Weiss反應分別產生羥自由基和過氧自由基。羥自由基發揮化學動力學治療（CDT）功效；過氧自由基與釋放出的NO迅速反應生成氧化能力更強的過氧亞硝基陰離子，增強NO的治療活性。羥自由基和過氧亞硝基陰離子發揮化學動力學和NO的協同治療效果。通過對上述各種自由基的檢測，清晰地闡明了協同機制。與正常肝細胞相比，聚合物具有肝腫瘤細胞靶向自由基釋放能力；在小鼠肝移植瘤模型中，表現出CDT與NO協同增強的抗腫瘤活性，且對正常組織/細胞的毒性較小。該研究不僅實現了NO-CDT療法的協同效應，而且還提供了一種通過合理設計前藥分子（例如NO供體）構建的納米配位聚合物實現特異性的、簡單且有效的納米給藥策略。研究成果以題為“Nanoscale Coordination Polymers for Synergistic NO and Chemo-dynamic Therapy of Liver Cancer”發布在著名期刊Nano Lett.上。

【圖文解讀】

圖一、Fe(II)-BNCP的制備和作用機制
（A） Fe(III)-BNCP和Fe(II)-BNCP制劑的制備過程；

（B）Fe(II)-BNCP在腫瘤細胞中的NO-CDT協同治療的示意圖。

圖二、 Fe(III)-BNCP和Fe(II)-BNCP的理化表征
（A）TEM圖；

（B）EDS化學映射顯示C、N、O和Fe元素的分布（C：紅色，N：橙色，O：黃色和Fe：綠色）；

（C）XPS光譜圖。其中，（a）Fe(III)-BNCP和（b）Fe(II)-BNCP。

圖三、20 μg/mL NCPs的體外NO和自由基的釋放量檢測
（A） 不同GSH水平的釋放量；

（B, C）·OH和·O₂^-從Zn(II)-DNCP、Fe(III)-DNCP、Fe(II)-DNCP、Zn(II)-BNCP、Fe(III)-BNCP和Fe(II)-BNCP在400 μM H₂O₂時的釋放量；

（D） Zn(II)-DNCP、Fe(II)-DNCP、Zn(II)-BNCP和Fe(II)-BNCP在400 μM H₂O₂時產生ONOO^-的量。

圖四、在HepG2細胞中，Zn(II)-DNCP、Fe(II)-DNCP、Zn(II)-BNCP和Fe(II)-BNCP的NO釋放和ROS產生的CLSM圖

圖五、（a）鹽水、（b）Zn(II)-DNCP、（c）Fe(II)-DNCP、（d）Zn(II)-BNCP和（e）Fe(II)-BNCP在人體肝癌異種移植ICR小鼠模型中的抗腫瘤效果
（A）治療12天后，腫瘤體積變化圖；

（B）治療12天后，腫瘤組織重量變化圖；

（C）治療12天后，腫瘤大小變化照片；

（D）治療12天后，小鼠的體重變化；

（E）治療12天后，五組腫瘤小鼠的存活率；

（F）腫瘤組織切片的組織學觀察（用H＆E染色）和在注射后12天從對照組和測試組檢測腫瘤組織切片中的細胞凋亡。

【小結】

綜上所述，作者合成具有雙齒結構、GSH敏感的NO供體以配位Fe(III)，并通過離子交換制備得到Fe(II)-BNCP。其中，Fe(II)-BNCP具有良好的體內循環穩定性，特異性響應腫瘤微環境中的GSH釋放NO并由H2O2誘導產生ROS。通過與沒有NO供體部分和/或Fe2+離子的對照NCP相比，體外檢測到NO的釋放和·OH、·O₂^-和ONOO^-的產生，以證實Fe(II)-BNCP的協同NO-CDT機制。更重要的是，制備的Fe(II)-BNCP具有以下優點：（1）高原子經濟性實現高載藥效率（66.4％ BPDB）；（2）簡單明確的結構；（3）100%的藥物釋放效率。設計制備的NCPs具有腫瘤微環境特異性，提高了肝臟腫瘤模型協同NO-CDT治療的療效和生物安全性。該工作不僅證明了配位聚合物的NO-CDT協同增強抗腫瘤活性，而且還提供了一種基于前藥的納米設計平臺用于精確癌癥治療的新方法。

文獻鏈接：Nanoscale Coordination Polymers for Synergistic NO and
Chemo-dynamic Therapy of Liver Cancer（Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01093）

通訊作者簡介

丁婭，女，教授，博士生導師。教育部“新世紀優秀人才”支持計劃（2010），江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師（2010），江蘇省第五期“333高層次人才培養工程”培養對象（2016）。從事納米藥物分析和藥物光譜分析相關研究，在納米科技和藥物材料研究方面的國際學術期刊發表SCI論文50余篇，擁有專利5項。獲高等學校科學研究優秀成果獎，自然科學獎，一等獎1項（2011）。《有機光譜分析》教材編委，人民衛生出版社（2009）。《藥學學報》中英雙刊青年編委，《Chinese Chemical Letters》通訊編委，中國醫藥生物技術協會納米生物技術分會常務委員，中國抗癌協會納米腫瘤學專業委員會青年委員會委員，中國生物材料學會影像材料和技術分會委員。

黃張建，研究員，博士生導師。國家優青（2018），江蘇省杰青（2016），教育部新世紀優秀人才（2013）。近年在藥物化學、化學及相關領域雜志Journal of Medicinal Chemistry, Advanced Materials，Chemical Science等發表SCI科研論文50余篇，其中藥物化學領域一區雜志Journal of Medicinal Chemistry 上發表13篇。申請中國發明專利15項，已獲授權6項，申請PCT專利1項；主持國家自然科學基金4項；重大新藥創制科技重大專項子任務1項；2014年獲得中國藥學會-施維雅青年藥物化學獎，2014年江蘇省雙創計劃團隊核心成員，2016年江蘇省“333”工程第三批培養對象。

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