蘇州大學李楨AFM：通過多功能仿生納米催化劑和NIR-II光照增強的化學動力學腫瘤治療

【研究背景】

近年來，基于Fenton反應的化學動力學療法（CDT）作為一種新興的納米催化療法已引起越來越多的關注，因為它利用癌細胞中過量產生的內源性化學物質（例如H₂O₂）產生活性氧（ROS）來殺死癌細胞。但是，芬頓反應的化學動力學一直是提高治療功效的挑戰。有研究表明，通過設計高性能的Fenton催化劑，調節H₂O₂濃度、腫瘤部位反應溫度等反應參數，可以提高Fenton反應的動力學更好的用于治療腫瘤。然而，H₂O₂在腫瘤中的時間依賴性變化并不清楚，也無法被監測到，這導致難以確定施加外部刺激以增強Fenton反應的最佳時間。另外，缺乏有效的外部刺激來大幅度增強Fenton反應。因此，同時應用不同的內部和外部策略，最大限度地增強Fenton反應，是CDT治療獲得良好療效的關鍵，而這一點尚未被很好地實現。

【成果簡介】

近日，蘇州大學李楨教授使用仿生CS‐GOD@CM的有效CDT治療乳腺癌的方法納米催化劑經過合理設計，可通過改善腫瘤內的H₂O₂濃度并以最大濃度應用近紅外第二窗口（NIR-II）光照射來顯著促進Fenton反應，該NIR-II光照射可通過光聲成像進行監控。仿生納米催化劑由超小型Cu_2-xSe（CS）納米顆粒、葡萄糖氧化酶（GOD）和腫瘤細胞膜（CM）組成。納米催化劑可以在腫瘤中滯留兩天以上，氧化葡萄糖并增加H₂O₂約2.6倍以增強在NIR-II輻射下的Fenton反應。這項工作首次證明了近紅外光增強了CDT對癌癥的治療。該文章近日以題為“Boosting H2O2-Guided Chemodynamic Therapy of Cancer by Enhancing Reaction Kinetics through Versatile Biomimetic Fenton Nanocatalysts and the Second Near-Infrared Light Irradiation”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、NIR-II窗口照射增強Fenton反應治療乳腺癌的示意圖

圖二、CS-GOD@CM納米顆粒的制備及表征

（a）CS-GOD@CM納米顆粒的制備示意圖。

（b）CS-GOD納米顆粒和CS-GOD@CM納米顆粒的TEM圖像。

（c）來自I）4T1細胞裂解物，II）4T1 CM囊泡和III）CS-GOD@CM納米顆粒的蛋白質的SDS-PAGE分析。

（d）分別用CS-GOD@CM納米顆粒孵育1h 的3T3細胞，U87細胞和4T1細胞的CLSM圖像。

（e–g）葡萄糖、CS-GOD@CM納米顆粒、GOD和葡萄糖混合物以及CS-GOD@CM納米顆粒與葡萄糖混合物溶液中時間依賴的pH，H₂O₂和O₂變化。

圖三、CS-GOD@CM納米顆粒和葡萄糖之間的級聯反應

（a）級聯反應生成羥基自由基(?OH)的示意圖。

（b）經典Fenton反應與NIR-II光促進的Fenton反應的原理圖比較。

（c）不同葡萄糖濃度下，CS-GOD@CM催化產生·OH氧化TMB隨時間變化的吸光度變化，插圖為不同溶液照片。

（d）不同實驗組中產生·OH氧化對苯二甲酸及產物熒光檢測。

（e）DCFH-DA與不同實驗組在1064nm激光照射或不照射的情況下的FL光譜。

（f）由Lineweaver–Burk圖得到的反應速度與葡萄糖濃度的關系。

（g）檢測428 nm的熒光強度變化得到的TA的氧化速率。

（h）檢測525 nm的熒光強度變化得到的DCFH-DA的氧化速率。

圖四、CS‐GOD@CM納米顆粒在細胞內的Fenton反應

（a）CS-GOD@CM納米顆粒與4T1細胞孵育不同時間后細胞內H₂O₂濃度變化。

（b-e）不同孵育條件下4T1細胞的b）·OH成像的CLSM；c）·OH檢測的流式細胞分析；d）流式檢測的細胞凋亡；e）CLSM圖像中JC-1的聚集體和單體的FL表示細胞的線粒體去極化。

（f）流式檢測得到的凋亡細胞與正常4T1細胞之比。

圖五、PA成像指導的體內腫瘤治療

（a）由CS-GOD@CM納米粒子催化的級聯反應及其反應產物的變化示意圖。

（b）尾靜脈注射CS-GOD納米顆粒或CS-GOD @ CM納米顆粒前后收集的4T1荷瘤小鼠的腫瘤的PA圖像。

（c）注射CS‐CD @ CM納米粒子后，時間依賴的腫瘤內氧合血紅蛋白（HbO₂）和血紅蛋白（Hb）的濃度。

（d）（b）和（c）中所示的相對信號強度。

（e）經過2天的不同處理后，不同組小鼠的腫瘤組織DCFH-DA染色圖像。

圖六、CS‐GOD @ CM納米顆粒的體內抗腫瘤評估

（a）小鼠腫瘤建立和PA指引的小鼠腫瘤治療示意圖。

（b）不同治療組4T1荷瘤小鼠的腫瘤切片的免疫熒光圖像。

（c-e）不同治療組小鼠體重變化、相對腫瘤體積變化、存活率。

（f）肺組織中轉移結節的數量。

（g）肺組織中轉移結節的H＆E染色圖像。

圖七、小鼠機體毒性

與健康小鼠相比，CS-GOD@CM納米顆粒治療后不同時間從4T1荷瘤小鼠收集的心、肝、脾、肺、腎的H＆E切片，沒有觀察到明顯的損傷。

【結論展望】

綜述所述，作者證明了通過使用癌細胞仿生亞硒化銅（Cu_2-xSe，CS）人造纖維納米粒子和NIR-II光的照射可以增強H₂O₂引導的腫瘤化學動力學治療。實驗證明制備的CS-GOD@CM納米顆粒可以在體內和體外引發級聯反應，即葡萄糖的有效氧化和H₂O₂的降解通過Fenton反應，當H₂O₂的濃度達到最大值時，通過用1064 nm激光輻照，CS納米粒子在NIR窗口中具有強烈的局部表面等離子體共振可以極大地增強Fenton反應。NIR-II輻照極大地增強了Fenton反應，在短時間內產生了大量的?OH自由基和其他ROS，從而獲得了出色的乳腺癌治療效果。這項工作凸顯了NIR-II光Fenton反應在癌癥治療中的巨大潛力，并從增加反應動力學的角度為光Fenton反應的高性能仿生納米催化劑的合理設計提供了指導。

文獻鏈接：Boosting H₂O₂-Guided Chemodynamic Therapy of Cancer by Enhancing Reaction Kinetics through Versatile Biomimetic Fenton Nanocatalysts and the Second Near-Infrared Light Irradiation (Adv. Funct. Mater. 2019, 1906128)

課題組簡介：

李楨教授：蘇州大學放射醫學與防護學院特聘教授，博士生導師，入選中組部“青年千人計劃”、江蘇省“雙創人才”、江蘇省“特聘教授”、“洪堡”學者。2005年博士畢業于中國科學院化學研究所，之后9年間先后在英國利物浦大學、德國錫根大學、澳大利亞昆士蘭大學和澳大利亞臥龍崗大學工作，于2014年加入蘇州大學放射醫學與防護學院，開展多模態分子影像、納米醫學方面的相關研究。在相關領域發表SCI論文130余篇（其中影響因子>10的有40余篇），論文被引 6900余次，h因子42。研究成果榮獲北京市科學技術一等獎、蘇州市科技三等獎和華夏醫學科技三等獎等獎勵。目前參與或主持科技部納米重點專項、基金委重大儀器研究項目、基金委面上項目、江蘇省重點研發計劃等。

本文由大兵哥供稿。

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