陳智毅&陳小元JACS：基于內源性不穩定鐵池的化學動力學療法

【研究背景】

化學動力療法（CDT）利用Fenton反應或者類Fenton反應產生高度有害的活性氧（ROS），既不依賴分子氧（O₂），也不依賴外部光源，使得其避免PDT的主要缺點（乏氧和光滲透深度），因此被認為是一種有前途的癌癥治療策略。盡管CDT技術具有巨大的治療潛力，但仍處于起步階段。目前，該方法的一個主要問題是使用過量的外源性Fenton類重金屬（如Fe，Mn，Cu和Co等），這可能對人體健康造成潛在的不利影響，造成急性毒性或慢性毒性。作為生物系統中最豐富的過渡金屬，鐵在許多細胞代謝過程中起著至關重要的作用，如DNA合成、細胞周期調節和細胞增殖。細胞內有一小部分游離或松散結合的細胞內鐵（II），稱為不穩定鐵池（LIP），具有氧化還原活性，因此具有參與細胞內Fenton型反應產生自由基的能力。然而，關于內源性LIP在基于Fenton化學的抗腫瘤CDT中的應用研究較少。

【成果簡介】

近日，廣州醫科大學附屬第三醫院陳智毅教授聯合美國國立衛生研究院陳小元教授提出了一種新的CDT策略：利用細胞內不穩定鐵池（LIP）作為Fenton活性金屬的來誘導自由基的產生。通過模擬過氧化物化合物在細胞內的代謝途徑，發現R`OOH在不穩定的Fe<sup>2+</sup>存在下具有良好的自由基生成能力，并且只受到GSH/GPx的適度清除，這是其優越的化學動力學效應的原因。LIP啟動了R`OOH從無毒到高毒的轉變，再加上腫瘤細胞中LIP水平的增加，使腫瘤細胞的特異性及高效的CDT。此外，作者還制備了pH/不穩定Fe²⁺級聯反應納米藥物，該納米藥物由包裹在pH敏感聚合物顆粒中的亞油酸甲酯和LIP增敏劑組成，以實現增強CDT。這項工作不僅為利用內源性Fenton型金屬治療腫瘤鋪平了道路，而且為探索細胞內LIP激活的高效化學動力學藥物提供了一個范例。該文章近日以題為“Endogenous Labile Iron Pool-Mediated Free Radical Generation for Cancer Chemodynamic Therapy”發表在知名期刊J. Am. Chem. Soc.。

【圖文導讀】

圖一、基于LIP的CDT預測及實驗探索

（a）CDT效率預測中涉及的反應示意圖。

（b-c）TMB暴露于ROOR和Fe²⁺中5 min或24 h后的紫外-可見光譜。

（d-e）在有無GPx存在的情況下，不同處理后340 nm處NADPH的吸光度變化。

圖二、體外ROOR誘導的不穩定鐵池引發的CDT

（a）不同類型ROOR作用24小時后U87MG細胞存活率。

（b）在有無鐵螯合劑DFO的體外CDT細胞毒性。

（c）用不同的R`OOH（包括t-BH、CH和MLH）治療24小時后腫瘤細胞的存活率。

（d）不同濃度MLH作用下U87MG細胞的死/活染色圖像。

圖三、MLH治療惡性腫瘤CDT的機制探討

（a）在有無DFO存在的情況下（200 μM），用不同濃度的MLH處理的U87MG細胞的DCF熒光。

（b）C11-BODIPY^581/591染色的腫瘤細胞在有無DFO暴露4小時后的熒光圖像。

圖四、ROS的積累引起細胞凋亡

（a）用annexin V-FITC/PI共孵育的U87MG細胞在MLH（100 μM）和有無DFO（200 μM）作用24小時后的熒光圖像。

（b）用流式細胞儀分析不同濃度MLH處理12h后腫瘤細胞凋亡。

圖五、載MLH的CDT納米材料的制備與表征

（a）在有無Era（能夠增加細胞內不穩定的Fe²⁺的小分子）條件下MLH的體外CDT細胞毒性。

（b）MLH/Era負載PEG-PDPA NPs作為強化CDT納米制劑的合成示意圖。

（c）PEG-PDPA NPs在pH值為7.4（左）或5.5（右）的緩沖溶液中分散30分鐘后的TEM圖像。

（d）用游離PEG-PDPA NPs、MLH負載PEG-PDPA NPs或MLH/Era負載PEG-PDPA NPs處理24小時后，U87MG細胞的存活率。

（e）AO染色法顯示暴露于具有酸引發分解特性的CDT納米制劑中的U87MG細胞溶酶體破裂。

圖六、CDT納米制劑在體內腫瘤治療中的應用

（a）靜脈注射⁸⁹Zr標記的CDT納米制劑后U87MG荷瘤小鼠全身冠狀PET圖像。

（b）用PET圖像測量⁸⁹Zr標記CDT納米制劑的腫瘤攝取。

（c）⁸⁹Zr標記CDT納米制劑在注射后72小時的生物分布。

（d-e）不同實驗組小鼠腫瘤生長及體重曲線。

（f）不同實驗組小鼠腫瘤組織的H&E染色圖像。

【結論展望】

綜上所述，作者成功開發了一種新的基于LIP的CDT策略，并確定了具有最佳LIP介導CDT效率的ROOR，以及其用于制備作為可激活癌癥治療的強化化學動力學納米制劑的用途。通過對ROOR在細胞內代謝過程的模擬，證明了R`OOH在Fe<sup>2+</sup>的作用下具有良好的自由基生成能力，而GSH/GPx系統只能適度地消除R`OOH，使其具有比其他種類ROOR更高的化學動力學效應。細胞內活性Fe²⁺介導的Fenton化學能有效地將R`OOH轉化為高度有害的自由基，使其成為誘導腫瘤細胞死亡的活化CDT試劑。令人印象深刻的是，R`OOH和Era的聯合應用增強了抗腫瘤的化學動力學效應。除了通過EPR效應在腫瘤組織中優先積聚外，通過將MLH和Era封裝在pH敏感聚合物顆粒中制備的CDT納米制劑能夠提供具有LIP刺激的化學動力學細胞毒性的藥物控釋，使它們能夠在體內有效抑制腫瘤生長，副作用最小。該工作促進了對ROOR細胞內代謝途徑的基本理解，并為探索由內源性LIP激活的高性能CDT藥物提供了一個范例。

文獻鏈接：Endogenous Labile Iron Pool-Mediated Free Radical Generation for Cancer Chemodynamic Therapy (J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05604)

陳智毅，教授，主任醫師，博士后，博士生導師，廣州醫科大學附屬第三醫院超聲醫學科主任、學科帶頭人，廣醫三院超聲分子影像學研究室負責人，廣東省產科重大疾病重點實驗室PI，廣東省醫療行業協會超聲醫學創新與發展管理分會主任委員，暨南大學兼職教授，美國Drexel University訪問學者。長期致力于超聲醫學臨床、教學和科研工作，擅長腹部、婦科、淺表器官超聲診療，在超聲分子影像學、超聲介導基因轉染及分子靶向技術、載基因微泡構建技術等方面有一定建樹。目前為IEEE、AIU、ISUOG、RSNA等Member/Fellow，廣東省醫師協會超聲醫師分會副主任委員，廣東省醫療行業協會醫學影像管理分會副主任委員，廣東省醫學會超聲醫學分會委員，廣州醫學會超聲醫學分會委員，廣東省醫院協會醫學影像中心管理專業委員會常委，中國超聲工程學會淺表器官、生物學效應及超聲分子影像學專委會委員，中國醫學影像技術研究會腹部超聲專業委員會委員，海醫會超聲醫學專委會青年委員，教育部科研基金和科技獎勵評審專家，國家自然科學基金評審專家，《Ultrasound》《Quant Imaging Med Surg》等6本國際期刊編委，30余本國際期刊的審稿專家。

陳小元，1993年和1996年分別獲得南京大學化學學士和碩士學位，隨后1999年獲得美國愛達荷大學博士學位。經過Syracuse大學和Washington大學圣路易分校博士后訓練，于2002年進入南加州大學放射學系任助理教授，2004年轉入斯坦福大學，2008年升為副教授。2009年陳博士加入美國國立衛生研究院(NIH)生物醫學影像及醫學工程所(NIBIB)任終身資深研究員，分子影像及納米醫學實驗室主任。2010，2012年獲NIBIB Mentor Award, 2014年獲 NIH Director’s Award。陳博士的科研方向主要涉及體外診斷，體內成像，基因/藥物的納米載體，以及診療一體化。ACS Nano等多家雜志的編委，Theranostics雜志的創刊主編，中美核醫學及分子影像學會(CASNMMI)前任主委，中美納米醫學及納米生物技術學會（CASNN）現任主委。

個人主頁：https://www.nibib.nih.gov/about-nibib/staff/xiaoyuan-chen

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