暨南大學 AFM 報道：多功能、長時間儲存氧氣的納米系統用于治療缺氧誘導的鼻咽癌

【背景介紹】

缺氧是指機體維持正常器官功能所必需的氧氣（O₂）供應不足和營養分配不均的狀態，會影響器官發育、體內平衡和腫瘤發生的典型生理應激源。在臨床治療中，減輕腫瘤缺氧可以減少惡性腫瘤的發生、轉移、血管生成、多藥耐藥性和放療耐藥性。因此，如何減少腫瘤缺氧區域是提高腫瘤治療效率的關鍵。近年來，提出了將O₂直接遞送至腫瘤中或利用催化劑原位催化以產生O₂來解決腫瘤缺氧的問題。然而，這些策略被動地局限于患者的狀況、新陳代謝以及內源性物質的水平。因此，研究人員設計了多種O₂遞送策略，以增強腫瘤細胞對化學/放射治療的敏感性。其中，制備的具有中空結構的全氟化碳納米顆粒可以在近紅外（NIR）照射下快速釋放O₂，以促進腫瘤氧合，但是這些納米顆粒中的氧氣僅保留1 h，不利于臨床使用。因此，開發一種將氧氣輸送到腫瘤中，同時還儲存氧氣以供應納米系統顯得非常重要。

【成果簡介】

基于此，暨南大學的陳填烽教授（通訊作者）團隊報道了一種可以長時間儲存氧氣的納米系統（O₂-PIr@Si@PDA），以減輕腫瘤的缺氧并增強放/化療治療鼻咽癌的方法。該納米系統以聚乳酸乙醇酸（PLGA）為核心，同時負載氧氣載體的全氟化辛基溴（PFOB）和氧氣敏感探針Ir(III)配合物，接著利用超薄的二氧化硅殼層進行包裹。然后，將聚多巴胺（PDA）涂覆在該納米系統的表面上以實現光熱轉化。此外，將多肽（Arg-Gly-Asp，RGD）與PDA連接以實現O₂-PIr@Si@PDA納米系統的腫瘤靶向功能。由于存在二氧化硅殼層，使得O₂-PIr@Si@PDA納米系統可以長時間（>7 d）存儲氧氣。在NIR照照下，溶解在PFOB中的氧氣會隨著硅殼層的溫度響應性破裂而迅速釋放。其中，Ir(III)配合物可以自發光來監測O₂-PIr@Si@PDA納米系統中的氧氣存儲和釋放。此外，將O₂-PIr@Si@PDA納米系統與NIR和X射線照射相結合，不僅可以通過激活蛋白53（p53）介導的凋亡來抑制腫瘤的生長，而且還可以通過減輕腫瘤的缺氧來提高放療的效率。總之，該研究提出了一種通過使用長期儲存氧氣納米系統來改善精確癌癥治療的新策略。研究成果以題為“Long-Term Oxygen Storage Nanosystem for Near-Infrared Light-Triggered Oxygen Supplies to Antagonize Hypoxia-Induced Therapeutic Resistance in Nasopharyngeal Carcinoma”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、長時間儲存氧氣的納米系統的結構及其作用原理示意圖

圖二、O₂-PIr@Si@PDA的合成與表征
（A）O₂-PIr@Si@PDA的合成過程示意圖；

（B）O₂-PIr@Si的TEM圖；

（C）O₂-PIr@Si的HTEM圖；

（D）O₂-PIr@Si的EDS元素映射圖；

（E）O₂-PIr@Si@PDA的TEM圖；

（F）O₂-PIr@Si和O₂-PIr@Si@PDA的照片；

（G）O₂-PIr@Si@PDA的FTIR光譜；

（H）Ir(III)配合物O₂-PIr@Si和O₂-PIr@Si@PDA的XPS光譜；

（I）不同濃度的O₂-PIr@Si@PDA的紫外光譜；

（J）在808 nm激光下，不同濃度的O₂-PIr@Si@PDA的溫度變化；

（K）在808 nm激光下，O₂-PIr@Si@PDA的熱穩定性圖；

（L）在808 nm激光下，PBS和O₂-PIr@Si@PDA隨時間變化的溫度變化圖像。

圖三、O₂-PIr@Si@PDA納米系統的氧氣存儲和釋放能力
（A）儲存氧氣的O₂-PIr@Si@PDA納米系統的示意圖；

（B）O₂-PIr@Si@PDA納米系統負載氧氣的量；

（C-D）在24 h和14 d內，O₂-PIr@Si@PDA納米系統中O2保留率；

（E）有無808 nm激光，O₂-PIr@Si@PDA和PIr@Si@PDA納米系統的發射光譜；

（F）在NIR激光下，從O₂-PIr@Si@PDA納米系統釋放氧氣，以及在照射前后插入O₂-PIr@Si@PDA納米系統溶液；

（G）在體外激光照射前后，對水和O₂-PIr@Si@PDA納米系統溶液進行超聲檢查；

（H）O₂-PIr@Si@PDA在不同溫度下的發射光譜；

（I）O₂-PIr@Si@PDA納米系統在不同溫度下的發光圖像；

（J）在不同溫度下從O₂-PIr@Si@PDA納米系統釋放的氧氣；

（K）O₂-PIr@Si@PDA納米系統在不同溫度下的TEM圖像。

圖四、O₂-PIr@Si@PDA納米系統的體外抗癌效果
（A）O₂-PIr@Si@PDA納米系統的抗癌作用示意圖；

（B）在缺氧或正常條件下，用O₂-PIr@Si@PDA和激光處理的CNE-2細胞的發光圖像；

（C）用不同濃度的O₂-PIr@Si@PDA處理的HS578Bst和NP69細胞的細胞存活率；

（D）在激光和放射療法照射下，O₂-PIr@Si@PDA納米系統處理的CNE-2細胞的細胞存活率；

（E）X射線和O₂-PIr@Si@PDA對CNE-2細胞的協同抑制作用的等效線分析法；

（F）用不同處理方法處理的CNE-2細胞的集落形成；

（G-H）用O₂-PIr@Si@PDA、激光和X射線處理的CNE-2細胞中產生的ROS和¹O₂；

（I）在120 min的不同處理下，CNE-2細胞中過量產生ROS和¹O₂的熒光圖像。

圖五、O₂-PIr@Si@PDA納米系統的氧氣存儲和聯合療法在體內抗癌效果
（A）在O₂-PIr@Si@PDA納米系統中長期儲存氧氣和體內激光處理下的氧氣釋放的示意圖；

（B）在給藥12 h后，在808 nm激光下對來自CNE-2荷瘤裸鼠的腫瘤區域的光熱圖像；

（C）小鼠的NIRFI以驗證O₂-PIr@Si@PDA在體內的氧氣存儲時間；

（D）不同處理下，裸鼠腫瘤部位的PA圖像；

（E）缺氧探針染色的腫瘤切片的代表性免疫熒光圖像；

（F）每組中腫瘤的R2*作圖的代表性圖像；

（G）整個腫瘤的R2*值的變化；

（H）給藥1 d后，在激光照射下的R2*值；

（I）中心瘤的R2*值的變化。

圖六、O₂-PIr@Si@PDA納米系統的體內抗癌效果
（A）O₂-PIr@Si@PDA結合激光和X射線抑制CNE-2腫瘤生長的示意圖；

（B）在靜脈內注射ICG標記的O₂-PIr@Si@PDA后，在特定時間點的荷瘤裸鼠的NIRFI；

（C）在靜脈內注射O₂-PIr@Si@PDA后的不同時間點，體內腫瘤部位的O₂-PIr@Si@PDA的光聲圖像；

（D）在21 d的治療期間，腫瘤體積的變化指數；

（E）在第21 d時，腫瘤體積的變化指數；

（F）治療21 d后，不同組的腫瘤重量；

（G-H）不同治療后，腫瘤區域HIF1-α和TNF-α表達的免疫熒光分析；

（I）治療21 d后，來自不同組的小鼠的H＆E染色的腫瘤。

圖七、O₂-PIr@Si@PDA結合激光和X射線引起的腫瘤生長抑制作用機理
（A）在21 d的治療期間，每組的小鼠的MRI T2加權圖像；

（B）在第21 d，每組小鼠的ADC圖像緩慢；

（C）處理21 d后，不同組的TUNEL染色的腫瘤切片的熒光圖像；

（D）治療21 d后，腫瘤中p53和VEGFR表達的免疫組織化學分析；

（E）在第21 d對每組小鼠的緩慢ADC進行定量分析；

（F）TUNEL的熒光定量分析。

其中，G1：鹽水；G2：X射線；G3：Ir(III)配合物；G4：O₂-PIr@Si@PDA；G5：激光；G6：O₂-PIr@Si@PDA+激光；G7：O₂-PIr@Si@PD+激光+X射線。

圖八、O₂-PIr@Si@PDA納米系統的生物安全性評估
（A）在21 d的治療中，每組小鼠的體重變化圖；

（B）不同治療后，各組中CNE-2荷瘤小鼠的存活時間圖；

（C）在21 d時用不同處理的小鼠的心臟、肝、脾、肺和腎的H＆E染色；

（D-E）在21 d接受不同治療的小鼠腎臟和肝臟的相關血液生化分析。

【小結】

綜上所述，作者設計了一種O₂-PIr@Si@PDA納米系統，該系統可以長時間的存儲氧氣，并且可以在NIR激光輻照下釋放氧氣以緩解缺氧現象。該納米系統利用PFOB核心作為氧氣載體，首先使用對氧氣敏感的Ir(III)配合物進行功能化，然后利用超薄壁的二氧化硅殼層封閉，同時應用PDA涂層實現光熱轉化。該納米系統具有以下優點：（1）由于存在二氧化硅殼層，O₂-PIr@Si@PDA中的氧氣可以存儲7天以上；（2）在NIR激光輻照下，溫度響應性的二氧化硅殼層破裂，氧氣可以迅速從O₂-PIr@Si@PDA納米系統中釋放出來；（3）與此同時，O₂-PIr@Si@PDA納米系統可以通過具有發光效應的Ir(III)配合物實現自我監測氧氣的釋放；（4）O₂-PIr@Si@PDA可以通過激發時釋放腫瘤區域內的O₂來緩解腫瘤缺氧。當O₂-PIr@Si@PDA結合NIR和X射線輻照治療時，顯示出強大的抗腫瘤能力，可能是因為PDA在NIR激光輻照下誘導的高熱協同作用，從而觸發PFOB腫脹，二氧化硅殼層破裂，O₂釋放到腫瘤區域，從而增強放射療法的治療效果，最終導致產生抑制CNE-2腫瘤生長的多米諾骨牌效應。總之，該研究提供了一個長期的儲存氧氣的納米系統，該系統可以在NIR激光下快速供應氧氣以緩解腫瘤缺氧，從而治療缺氧誘導的鼻咽癌。

文獻鏈接：Long-Term Oxygen Storage Nanosystem for Near-Infrared Light-Triggered Oxygen Supplies to Antagonize Hypoxia-Induced Therapeutic Resistance in Nasopharyngeal Carcinoma（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002369）

本文由CQR編譯。

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