中科院長春應化所姜秀娥研究員Angew. Chem. Int. Ed.: 通過Cu-TCPP 納米片在缺氧腫瘤中產生單線態氧并消耗GSH實現癌癥治療

【引言】

光動力療法（PDT）是基于照射時組織氧和光敏劑（PS）之間發生反應產生的¹O₂實現的，其具有較小侵入性和高選擇性，因而在癌癥治療中引起了廣泛的關注。然而，氧依賴性、外源光穿透深度有限、治療效率較低等幾個缺陷仍然存在。為了解決關鍵的抑制作用，各種納米級O₂釋放以及GSH消耗的光動力試劑不斷被開發出來，以緩解腫瘤缺氧或降低GSH濃度。此外，盡管局部光活化增強了選擇性，但對外部光的依賴仍然極大限制了光動力療法的發展。為了實現選擇性腫瘤治療，腫瘤微環境（以缺氧、酸性、高濃度H₂O₂和GSH為特征）已經得到廣泛研究。然而目前的策略由于治療效率低或材料合成復雜，顯著影響了其臨床應用。事實上，根據Russell機制，在痕量金屬離子或酶存在下可以跟生物氫過氧化物反應來產生¹O₂，而且大多數生物氫過氧化物可以在活性氧的過氧化反應中產生，這表明其有可能取代依賴于光和氧氣的光動力試劑。

【成果簡介】

近日，中科院長春應化所姜秀娥研究員課題組報道了Cu-TCPP納米片超薄二維金屬有機骨架可以在腫瘤微環境中選擇性地產生¹O₂，首先是酸性H₂O₂將TCPP配體過氧化，然后在具有過氧化物酶性質的納米片和Cu²⁺的作用下被還原為過氧自由基，最后會發生基于Russell機制的自發重組反應。而且納米片還可以消耗GSH。因此，Cu-TCPP納米片可以高效地選擇性地破壞腫瘤，證明其是克服目前光動力療法限制的一種有效方式。該成果以題為" Specifically Generation of Singlet Oxygen via Russell Mechanism in Hypoxic Tumor and GSH Depletion by Cu‐TCPP Nanosheets for Cancer Therapy "發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上（文章TOC圖如下）。

【圖文導讀】

圖1 Cu-TCPP納米片的合成及表征

(A) Cu-TCPP納米片的合成方案和治療機理；

(B) Cu-TCPP納米片的TEM圖像；

(C) Cu-TCPP納米片的HRTEM圖像；

(D) Cu-TCPP納米片的AFM圖像及其高度圖；

(E) TCPP和Cu-TCPP納米片的紫外-可見光譜；

(F) Cu-TCPP納米片、TMB和H₂O₂混合物的pH依賴紫外-可見光譜及其照片（插圖）；

(G) ICP測定的Cu-TCPP納米片中Cu²⁺的含量和釋放量。

圖2 Cu-TCPP納米片將GSH轉化為GSSG

(A) 在不同時間點上，Cu-TCPP和GSH混合溶液的上清液中GSH和GSSG的含量；

(B) 不同條件下HeLa細胞中GSH/GSSG比值的檢測；

(C) 加入DMPO的反應混合物的ESR光譜以測量O?- 2和?OH的信號。

圖3 TCPP與 H₂O₂產生¹O₂的表征

(A) 以單獨SOSG溶液為對照，SOSG與PBS中不同試劑反應的熒光光譜；

(B) SOSG檢測到常氧和缺氧條件下Cu-TCPP納米片與H₂O₂產生的¹O₂；

(C) 包含TCPP和H₂O₂反應溶液的MS譜圖；

(D) SOSG檢測到包含TCPP，HRP和H₂O₂的PBS中產生的¹O₂；

(E) 加入TEMP和H₂O₂后，有無GSH條件下Cu-TCPP的ESR譜；

(F) 加入TEMP和H₂O₂后，有無GSH條件下HRP+TCPP的ESR譜。

圖4 Cu-TCPP納米片處理細胞的CLSM圖像及其細胞毒性測試

(A) Cu-TCPP納米片處理前后SOSG染色的HeLa和L929細胞的CLSM圖像；

(B) Cu-TCPP納米片處理前后，在常氧和缺氧條件下染色的HeLa細胞的CLSM圖像；

(C) 不同處理條件下HeLa細胞中DCFH-DA的熒光；

(D) MTT測定法測試納米片的細胞毒性；

(E) Calcein AM 和 PI共染色測定法測試納米片的細胞毒性。

圖5 Cu-TCPP納米片的體內腫瘤治療效果

(A) 治療后小鼠和腫瘤的典型照片；

(B) 每組小鼠的腫瘤重量；

(C) 每組小鼠的腫瘤生長曲線；

(D) 每組小鼠的小鼠體重變化曲線；

(E) 每組小鼠的正常組織和腫瘤組織的H&E染色圖像。

【小結】

本文中，作者開發了一種Cu-TCPP納米片的二維MOF，其能夠通過與腫瘤微環境中高濃度的H₂O₂反應產生¹O₂并通過循環反應消耗GSH。因此，Cu-TCPP納米片能夠選擇性產生¹O₂和抑制GSH對¹O₂的清除，從而實現體外和體內誘導腫瘤凋亡并且沒有副作用。顯然，這種方法有效避免了PDT必不可少地對氧氣和外部光刺激的依賴，將為癌癥治療策略的發展提供有意義的啟發和指導。

文獻鏈接：Specifically Generation of Singlet Oxygen via Russell Mechanism in Hypoxic Tumor and GSH Depletion by Cu-TCPP Nanosheets for Cancer Therapy?(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201903981)

【團隊介紹】

姜秀娥，中國科學院長春應用化學研究所研究員、博士生導師。2005年博士畢業于中科院長春應化所。2006年~2010年先后在德國Bielefeld大學、德國ULM大學及德國Karlsruhe技術研究所從事洪堡學者及博士后研究。2010年加入中科院長春應化所電分析化學國家重點實驗室，組建獨立科研團隊。2013年獲“優秀青年基金”資助。主要從事納米尺度細胞相互作用機制及效應的研究。至今，以第一作者和通訊聯系人在Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. , ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Anal. Chem.等著名刊物發表文章66篇，相關論文被SCI論文引用2900余次。授權發明專利4項，撰寫英文專著2章。榮獲吉林省三八紅旗手（2013年）及全國五一巾幗標兵（2015年）稱號。

近年來，姜秀娥研究員團隊圍繞納米細胞相互作用的動態響應機制開展了系統研究。基于表面增強紅外光譜揭示了納米材料與細胞膜的弱相互作用及材料的動態結構變化與生物效應的構效關系（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10052-10055）。進一步與成像分析結合，揭示了金屬-有機配位聚合物及氧化物與細胞內氧化還原小分子的動態作用機制，構建腫瘤治療新策略。例如，通過研究鐵離子摻雜的聚二氨基吡啶納米片（Fe-PDAP）及超薄二維金屬有機框架（Cu-TCPP）與細胞內過氧化氫和谷胱甘肽相互作用，構建了光動力及化療協同增強的新策略（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 106），提出Russell機制治療腫瘤的新思路；采用室溫還原方法在SiO₂-MB內核表面形成智能MnO₂殼，實現過氧化氫激活的氧氣生成及光敏劑釋放，有效提高腫瘤微環境響應的腫瘤診斷及治療（Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604258）；通過一步生物礦化法制備了具有超強的光熱轉換效率，良好的光催化活性以及高X射線吸收系數的氧化銥納米粒子（BSA-IrO₂ NPs），實現了光聲和CT雙重成像指導的光熱光動力精準治療。進一步利用其過氧化氫模擬酶特性，保護正常細胞免受H₂O₂誘導的活性氧壓力及炎癥，并基于微泡的空化作用顯著增強光聲成像（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10309）。

【相關優質文獻推薦】

1. BSA-IrO₂: catalase-like nanoparticles with high photothermal conversion efficiency and X-ray absorption coefficient for anti-inflammation and tumor theranostics, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10309–10313.

2. A facile ion-doping strategy to regulate tumor microenvironments for enhanced multimodal tumor theranostics,?J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 106–109.

3. MnO₂ gatekeeper: an intelligent and O₂-evolving shell for preventing premature release of high cargo payload core, overcoming tumor hypoxia, and acidic H₂O₂-sensitive MRI,?Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604258.

4. Revealing the nature of interaction between graphene oxide and lipid membrane by surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10052-10055.

本文由biotech供稿，材料牛審核整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作可加編輯微信：cailiaorenkefu。