施劍林最新JACS：原位銅螯合引發“無毒-有毒”的轉換增強雙硫侖化療作用

【研究背景】

腫瘤的化學治療中，高毒性的藥物引起的毒副作用一直是腫瘤治療成敗的關鍵。最近，上海硅酸鹽研究所施劍林團隊提出使用無毒或低毒的納米材料，利用外場和腫瘤特異性微環境催化的瘤內催化反應，原位產生腫瘤毒性物種或其他治療效果，從而實現不需使用有毒化療藥物的、基本無毒的腫瘤特異性化學治療。他們將這一新的治療策略命名為納米催化腫瘤治療（nanocatalytic tumor therapy, Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 1938），或納米催化醫學（nanocatalytic medicine, Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201901778）。

最新研究發現，傳統戒酒藥雙硫侖（DSF）也具有一定的抗腫瘤效果，但是其抗癌活性嚴重依賴于二硫代氨基甲酸酯（DTC）與Cu²⁺的螯合生成的DTC-Cu絡合物（CuETs）。因此，如果可以遞送Cu²⁺離子并且在腫瘤部位選擇性釋放后， DTC在腫瘤微環境催化作用下，原位螯合Cu²⁺后產生CuET，并引發瘤內類Fenton催化反應，從而提高化療效率。因此，急需開發一種精心設計的納米系統可響應腫瘤微環境（TME）釋放DSF和Cu²⁺，然后原位生成CuETs進行腫瘤治療。

【成果簡介】

近期，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林團隊報道了一種使用中空介孔二氧化硅納米粒子作為功能載體的，腫瘤微環境觸發DSF原位螯合Cu²⁺ 并催化類Fenton反應，實現其 “無毒-有毒”轉變，從而達到特異性的納米催化腫瘤治療策略。中空介孔二氧化硅納米粒子摻雜Cu²⁺并負載DSF，響應TME弱酸環境后快速釋放Cu²⁺離子。一旦納米粒子被內吞到腫瘤細胞中，這導致其的快速生物降解和加速的DSF釋放。在共同釋放的Cu²⁺離子和DSF之間產生的原位螯合反應產生有毒的CuETs。同時，在產生的Cu⁺離子和高水平的H₂O₂之間的類芬頓反應產生活性氧物質（ROS）。體外細胞測定和體內腫瘤-異種移植實驗均證明了DSF的有效Cu²⁺增強和腫瘤特異性化學治療功效，其中來自高毒性CuETs復合物和腫瘤內產生的ROS的共同貢獻。這項工作提供了納米粒子在腫瘤中實現“無毒-有毒”轉變的概念上的進步，也是該團隊最近提出的“納米催化腫瘤治療”策略的進一步拓展，以實現高化學療效和生物安全性。該成果近日以題為“Enhanced Tumor-Specific Disulfiram Chemotherapy by In Situ Cu^2+?Chelation-Initiated Nontoxicity-to- Toxicity Transition”發表在知名期刊JACS上。

【圖文導讀】

方案一：納米藥物的作用機理

DSF@PEG/Cu-HMSNs納米藥物的作用原理圖，以及ROS與CuETs在增強DSF化療療效方面的協同作用。

圖一：MSNs和Cu-HMSNs的結構和組成表征

（a）銅摻雜到MSNs過程中結構變化的示意圖。
（b）Cu-HMSNs的SEM圖像。
（c）SiO₂，Cu-HMSNs和CuSiO₃?3H₂O的XRD圖譜。
（d）MSNs和Cu-HMSNs的TEM圖像和相應區域的電子衍射（ED）圖像。
（e）暗場TEM圖像和Cu-HMSNs的相應區域元素mapping。

圖二：PEG/Cu-HMSNs的生物降解性評價

（a）PEG/Cu-HMSNs的降解示意圖。
（b）在pH 6.5/7.4的SBF溶液中孵育4、24、48、72小時的PEG/Cu-HMSNs的TEM圖像。
（c-d）不同pH條件下（c）Cu和（d）Si的釋放。

圖三：不同條件下4T1細胞體外細胞毒性分析

（a）DSF/Cu²⁺反應的機理包括DSF被Cu²⁺還原（I），DSF- Cu⁺螯合，以及通過類Fenton反應生成羥基自由基。
（b）不同條件下檢測到的ESR信號（H₂O₂；DSF@PEG/Cu HMSNs+ H₂O₂，pH=7.4；DSF@PEG/Cu HMSNs+ H₂O₂，pH=6.5）。
（c-f）4T1細胞在不同處理條件下24小時的存活率。
（g）4T1細胞經PEG/Cu-HMSNs、游離DSF、CuET、H₂O₂（100 μM）、DSF@PEG/Cu-HMSNs和DSF@PEG/Cu-HMSNs+ H₂O₂（100 μM）孵育24小時后的CLSM圖像和用FITC標記的PEG/Cu-HMSNs孵育4小時的4T1細胞的CLSM圖像。
（h）用流式細胞儀定量4T1細胞，包括不同處理后活細胞、早期凋亡細胞和晚期凋亡細胞的百分比。

圖四：DSF@PEG/Cu-HMSNs的體內抗腫瘤評估

（a）4T1腫瘤異種移植建立和治療過程示意圖。
（b）注射PEG/Cu-HMSNs后昆明鼠血液中Si的代謝曲線。
（c）不同時間點心、肝、脾、肺、腎和腫瘤內的Si的分布。
（d）不同治療組小鼠體重變化。
（e）不同治療組小鼠腫瘤體積變化。
（f）不同治療組15天后切除腫瘤的照片。
（g）不同治療組腫瘤的H&E、TUNEL和Ki-67染色切片圖像。

【總結展望】

綜述所述，作者在所提出的“納米催化腫瘤治療”的框架下，進一步構建了一種原位Cu²⁺螯合的納米藥物，用于高效的DSF化療，具有良好的腫瘤特異性。獨特的Cu²⁺摻雜中空介孔納米平臺可以將DSF導入腫瘤中，并以腫瘤特異性的方式快速共釋放Cu²⁺和DSF。釋放的無毒DSF分子通過原位螯合Cu²⁺而成為毒性化合物，導致腫瘤細胞死亡，而不影響附近正常細胞。更有意義的是，生成的Cu⁺通過類Fenton催化反應，在H2O2存在下，產生高毒性羥基自由基，這種反應在TME中的水平增加。這些特征同時賦予納米系統增強腫瘤特異性治療的療效和生物安全性。體外和體內實驗證實了其高的化療效果，揭示了相關的治療機制，與無毒性的DSF相比，TGI值高達71.4%。這項工作提供了一個原位Cu²⁺螯合啟動的“無毒-有毒”轉化系統用于增強腫瘤特異性DSF化療的第一個例子，所獲結果也有望有助于開發新型癌癥治療藥物，作為毒性化療藥物的替代品。

文獻鏈接：Enhanced Tumor-Specific Disulfiram Chemotherapy by In Situ Cu2+ Chelation-Initiated Nontoxicity-to-Toxicity Transition (J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b03503)

本文由大兵哥供稿。

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

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu