武漢大學 ACS Nano 報道: 利用特異性響應的Mn(III)封印的MOFs納米系統對腫瘤進行診斷治療

【引言】

目前，光動力療法（PDT）通過將光激發光敏劑（PS）的能量轉移至氧氣以產生高毒性的活性氧物質（ROS）誘導腫瘤細胞死亡，已經被廣泛研究用于腫瘤治療。但是PDT的進一步臨床應用仍然面臨著許多問題。例如常用的PS通常具有水溶性差、合成修飾復雜、有效載荷低、易聚集等缺點，且對腫瘤的靶向和積累能力較差。此外，在腫瘤細胞中過量表達的谷胱甘肽（GSH）不僅可以抵抗化學、放射和光動力治療，而且可以作為一種抗氧化劑來清除胞內的ROS。并且過量的ROS也會對正常組織有毒副作用并在腫瘤區域引發炎癥。因此，迫切需要一種可同時實現可控ROS產生和胞內GSH消除的智能遞送系統來改善腫瘤部位的PDT治療效果。

【成果簡介】

近日，武漢大學的張先正教授（通訊作者）課題組報道了一種由Mn(III)和卟啉（TCPP）通過“一鍋法”設計合成的Mn(III)封印的金屬有機骨架（MOFs）納米系統。其中，Mn(III)作為封印劑不僅可以淬滅基于TCPP的熒光，而且還會抑制其介導的活性氧（ROS）產生，使得MOFs成為一種惰性診療納米顆粒。在被腫瘤細胞內吞后，由于Mn(III)會與胞內的谷胱甘肽（GSH）發生氧化還原反應，使得MOFs被GSH分解成Mn(II)和游離TCPP，從而實現抗氧化劑GSH的消耗和激活的基于Mn(II)的磁共振成像（MRI）以及基于TCPP的熒光成像。更重要的是通過GSH控釋TCPP可在光照下實現可控的ROS產生，有效避免副作用。因此，這種GSH特異性響應的可同時實現GSH消耗和可控ROS產生的Mn(III)封印的MOFs可顯著的提升光動力療法的治療效率。研究成果以題為“A Mn(III)-Sealed Metal?Organic Framework Nanosystem for Redox-Unlocked Tumor Theranostics”發表在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、內吞后Mn(III)封印的MOFs納米系統用于MRI和OI介導的PDT作用示意圖

圖二、Mn(III)-TCPP MOFs的表征
（A）MOFs的SEM圖；

（B）MOFs的TEM和HR-TEM圖；

（C）MOFs的AFM圖；

（D）MOFs的TEM圖；

（E）XRD圖；

（F）MOFs的熱重分析；

（G）TCPP、MOFs和TCPP(Mn)的紫外-可見光譜；

（H）Mn 3s的XPS光譜；

（I）Mn元素的ESR譜。

（J）不同GSH濃度下的MOFs的SEM圖。

圖三、MOFs的性能表征
（A）GSH觸發的MOFs解體機制；

（B）用DTNB檢測GSH消耗；

（C）GSH響應性TCPP的釋放；

（D）有或無GSH（2.5 mM）下的MOFs的T₁加權成像；

（E）Mn(OAc)₃的紫外-可見光譜以及MOFs和TCPP的熒光光譜；

（F）MOFs熒光隨GSH濃度變化；

（G）用SOSG檢測ROS的產生；

（H）高濃度GSH溶液中MOFs在660 nm照射后SOSG的熒光強度；

（I）在10 mM GSH下不同的材料介導的ROS產生。

圖四、MOFs的體外解離及其對細胞氧化壓的影響
（A）孵育4 h后，CLSM檢測的胞內MOFs熒光隨時間的變化；

（B, C）在孵育4 h后，0 min（紅色）、20 min（橙色）和40 min（綠色）后胞內MOFs的熒光信號，流式分析和相應的統計分析結果；

（D）用不同樣品處理后的細胞內GSH水平；

（E, F）用PBS + hv（紅色）、Mn(OAc)₂ + hv（藍色）、TCPP + hv（橙色）、MOFs（綠色）和MOFs + hv（深綠色）處理后流式檢測相應細胞內ROS含量及其統計分析結果；

（G）通過CLSM檢測細胞ROS產生。

圖五、評估MOFs介導的細胞毒性
（A）MOFs處理的不同細胞系的細胞毒性；

（B）TCPP + hv和TCPP + L-BSO + hv孵育后的細胞毒性；

（C）不同材料處理后的細胞毒性；

（D）不同材料處理后檢測活細胞/死細胞比例；

（E）通過流式用膜聯蛋白V-FITC/PI來評估細胞死亡的機制。

圖六、MOFs在體內的成像效果
（A, B）瘤內注射30 min后，在腫瘤部位的熒光和T₁造影信號；

（C）靜脈注射MOFs后的體內MRI信號；

（D）靜脈注射材料的熒光成像和給藥36 h后組織熒光；

（E）注射36 h后的小鼠組織的MFI值；

（F）MOFs和TCPP在血液循環中的藥代動力學；

（G）血生化和血常規分析主要參數的熱圖；

（H）用DCFH-DA（綠色）檢測的腫瘤組織的氧化壓。

圖七、生物安全性和治療效率的評估
（A, B）14天治療期間各種處理后小鼠體重和腫瘤體積的變化；

（C, D）離體腫瘤組織的重量和照片；

（E）14天后腫瘤的H＆E切片分析、TUNEL（綠色）和Ki67（綠色）免疫熒光。

【小結】

綜上所述，作者通過“一鍋法”成功構建了Mn(III)封印的MOFs納米系統。體外和體內實驗證明MOFs會特異性響應腫瘤細胞中過表達的GSH而發生解體，產生GSSG、Mn(II)和游離TCPP。在這個過程中，細胞內的GSH被消耗，基于Mn(II)的MRI和基于TCPP的OI被激活。同時GSH還可以通過調控MOFs中TCPP的釋放來有效地控制ROS產生，以避免過量ROS帶來的副作用。借助于激活的MRI和OI成像診斷技術，具有可控ROS產生及GSH消耗的MOFs納米顆粒能顯著增強PDT的治療效果，進而實現腫瘤的全面壓制。

文獻鏈接：A Mn(III)-Sealed Metal?Organic Framework Nanosystem for Redox-Unlocked Tumor Theranostics?(ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b00300)

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