劉斌團隊 AFM：MOF輔助和腫瘤微環境調控協同成像引導的光化學治療

【背景介紹】

光動力治療（PDT）主要依靠活性氧（ROS）（羥基自由基、單線態氧（¹O₂）等）來殺死癌細胞或細菌，具有易于控制、副作用最小等優勢。雖然研究人員設計出了具有近紅外（NIR）發射的高效光敏劑（PSs），但是復雜的腫瘤微環境（TME）和缺乏腫瘤靶向性的藥物遞送嚴重影響了光化學治療的效果。其中，癌細胞中高水平的谷胱甘肽（GSH）和腫瘤缺氧是導致化療和PDT治療效果降低和產生耐藥性的關鍵因素。GSH會耗盡化療和PDT期間產生的ROS，而腫瘤缺氧不僅降低了氧依賴性PDT的效果，而且還會導致化療期間的耐藥性和腫瘤轉移。因此，為提高光化學治療的療效、同時降低副作用，除了開發有效的化療藥物和PSs外，構建有效的O₂釋放型和GSH消耗型納米載體非常重要。此外，許多在臨床上使用的抗癌藥缺乏腫瘤組織處的有效富集，而導致嚴重的副作用，進而影響治療效果。

【成果簡介】

基于此，新加坡國立大學的劉斌教授（通訊作者）團隊報道了一種金屬有機骨架（MOF）輔助策略，該策略通過減少腫瘤缺氧和細胞內谷胱甘肽（GSH）來調節TME，并對化療藥提供靶向遞送和可控釋放。其中，鉑（IV）-二疊氮基絡合物（Pt(N₃)₂(OH)₂(NH₃)₂）被封裝在銅基的金屬有機骨架中（MOF-199），并且利用聚集誘導發射（AIE）光敏劑TBD與聚乙二醇的偶聯物（TBD-PEG）包裹Pt(V)@MOF-199 NPs以形成TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs。當制備的TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs被癌細胞內吞后，MOF-199就會消耗細胞內GSH并坍塌以釋放Pt(V)藥物。在光照射下，釋放的Pt(IV)產生可緩解缺氧的O₂，并且在癌細胞內部產生基于Pt(II)的化療藥物。同時，釋放的TBD可以產生有效的單線態氧（¹O₂）和明亮的發射，從而產生了協同的成像引導光化學治療，具有增強療效和降低副作用的效果。研究成果以題為“Metal-Organic Framework Assisted and Tumor Microenvironment Modulated Synergistic Image-Guided Photo-Chemo Therapy”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs的制備和作用原理示意圖
（A）Pt(IV)@MOF-199和TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs的制備；

（B）在光化學治療的腫瘤微環境中，TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs消耗GSH和緩解腫瘤缺氧。

圖二、MOF-199和Pt(IV)@MOF-199的性能測試
（A）在白光照射下，GSH溶液中Pt(IV)生成O₂的濃度；

（B）Pt(IV)@MOF-199和浸入PBS或GSH溶液中Pt(IV)@MOF-199的PXRD圖；

（C）在77 K下，MOF-199和Pt(IV)@MOF-199的氮氣吸附和解吸等溫線和孔徑分布；

（D）將Pt(IV)負載到MOF-199中的動力學評估；

（E）Pt(IV)@MOF-199的SEM圖像和DLS結果；

（F）經不同濃度MOF-199、Pt(IV)@MOF-199和TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs處理后的GSH的定量分析。

圖三、TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs的表征和釋放性能
（A）TBD在THF/水（1/99，v/v）、TBD-PEG和TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs在水中的UV-vis和PL光譜；

（B）在缺氧和GSH環境下，在白光照射下，水中不同PSs引起的ABDA的分解速率；

（C）TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs的代表性TEM圖像和DLS結果；

（D）在透析過程中，有/無GSH處理或70 min白光照射的PBS中，TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs中的Pt(II)釋放。

圖四、細胞實驗和相應的檢測
（A）在有/無照射光的情況下，將HeLa細胞與TBD NPs、TBD-MOF-199 NPs、TBD-Pt(IV) NPs和TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs共孵育并用Hochest、ROS和缺氧檢測試劑盒進一步染色的CLSM圖像；

（B）用TBD NPs、TBD-MOF-199 NPs、TBD-Pt(IV) NPs和TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs與HeLa細胞共孵育的CLSM圖像，并進一步用基于GSH細胞的檢測試劑盒染色；

（C）在白光下與不同的NPs孵育后，HeLa細胞中的相對ROS、低氧或GSH水平。

圖五、有無光照下，細胞的存活率
（A）不同NPs與HeLa細胞共孵育，在有光照下的細胞存活率；

（B）不同NPs與HeLa細胞共孵育，在無光照下的細胞存活率；

（C）不同NPs與NIH-3T3細胞共孵育，在有光照下的細胞存活率；

（D）不同NPs與NIH-3T3細胞共孵育，在無光照下的細胞存活率。

圖六、動物體內實驗
（A）靜脈注射TBD NPs、TBD-MOF-199 NPs、TBD-Pt(IV) NPs和TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs后，EGFP-krasV12斑馬魚胚胎的CLSM圖像；

（B）在光照后，用低氧探針或GSH探針于1 dpi處理的對照組或NPs注射的斑馬魚幼蟲中的肝腫瘤；

（C）在單獨治療24 h后，研究的每組中相對缺氧的腫瘤體積變化。

【小結】

綜上所述，作者證明了具有TME調節特性和靶向藥物釋放能力的協同成像引導光化學抗癌治療的MOF輔助策略。該策略開始于將Pt(IV)高負載到具有GSH響應的MOF-199中，以形成Pt(IV)@MOF-199。接著，利用TBD-PEG包封Pt(IV)@MOF-199以產生TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs。在TBD-Pt(IV)@MOF-199 NPs進入腫瘤后，MOF-199消耗細胞內GSH并解離釋放Pt(IV)。在光照射下，釋放的Pt(IV)在細胞內產生O₂并釋放Pt(II)化療藥。同時，TBD在調節的TME下可以有效的產生ROS，并發出明亮的熒光來指導治療。因此，該策略成功地實現了降低了副作用的高效光化學抗癌治療。總之，本文提出的MOF輔助方法將促進有關如何制定可行策略以充分利用不同療法進行最佳療效的協同抗癌治療的進一步研究。

文獻鏈接：Metal-Organic Framework Assisted and Tumor Microenvironment Modulated Synergistic Image-Guided Photo-Chemo Therapy（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002431）

通訊作者簡介

劉斌，博士，新加坡國立大學教授，化學與生物分子工程系主任，新加坡工程院院士，亞太材料科學院院士，英國皇家化學會會士，ACS Materials Letters, Advanced Materials and Advanced Functional Materials 等多個雜志執行主編、副主編及編委。劉斌教授于南京大學和新加坡國立大學分別獲得碩士與博士學位，隨后于加州大學圣芭芭拉分校從事博士后研究。劉斌教授自2005年起任教于新加坡國立大學，2010年獲聘副教授，2014年被授予Dean’s Chair Professor， 2016年獲評教授，2017年被授予Provost’s Chair Professor，2019年被任命為新加坡國立大學副校長（研究與技術）。
劉斌教授致力于先進功能納米材料在生物醫學及能源中的應用研究，并因其研究成果榮獲多項獎項，包括2008年新加坡科學技術杰出青年科學家獎, 2011年新加坡歐萊雅女性科學家國家研究獎, 2013年亞洲新星獎, 2014年巴斯夫材料獎, 2016年新加坡總統科學技術獎, 2014-2019年湯森路透世界最具影響力及引用前1% 材料科學研究者，2019年美國化學會納米講座獎。

本文由CQR編譯。

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