Adv. Funct. Mater. 自給氧氣仿生納米平臺用于高精準光動力治療

【引言】

光動力治療是一種對惡性腫瘤很有希望的治療方法，它被用于治療皮膚癌，也被發展使用近紅外光進行激發，從而實現深入組織的治療。但由于腫瘤部位的乏氧性，不利于光動力治療的有效實施。此外，納米材料的生物醫學應用還受困于其靶向性。

【成果簡介】

最近武漢大學的張先正（通訊作者）等人設計了一種氧氣自給予仿生細胞的納米復合材料 CAT-PS-ZIF@ Mem（見[注]）。由于癌細胞膜的同源靶向作用，CAT-PS-ZIF@Mem 被靜脈注射到體內，選擇性的積累在腫瘤位置，并被腫瘤有效的攝取。細胞內的H2O2滲透到這個多孔材料的骨架中，被過氧化氫酶CAT催化，在乏氧的腫瘤處產生O2，促進單線態氧的產生，在近紅外光的照射下實現光動力治療。通過結合免疫和細胞同源識別，以及氧氣自給予，實現了高靶向性和高效的光動力治療，大大減少了對周圍正常組織的傷害。

[注]Mem: 癌細胞膜；ZIF-8：類似于細胞骨架的多孔沸石咪唑骨架，并嵌入過氧化氫酶CAT光敏劑AlPcS4。

【圖文導讀】

圖1 基于納米金屬-有機骨架NMOF骨架的類細胞的仿生平臺用于靶向光動力治療（PDT）

（a）CAT-PS-ZIF@Mem的合成。

（b）納米材料CAT-PS-ZIF@Mem通過靜脈注入后，經血液循環選擇性的積累在腫瘤部位。

（c）在近紅外光照射下，同源靶向的納米材料CAT-PS-ZIF-Mem在腫瘤組織處積累并高效地實現光動力治療。

圖2 CAT-PS-ZIF@Mem 材料的表征

（a）CAT-PS-ZIF@Mem 形貌SEM和TEM圖片

（b）CAT-PS-ZIF@Mem 納米球的高分辨透射電鏡

（c）CAT-PS-ZIF@Mem 在培養基中孵育24h后的SEM和TEM圖片

（d）CAT-PS-ZIF@Mem 和在培養基中孵育后的CAT-PS-ZIF@Mem 的XRD

（e）Hale 細胞細胞膜，CAT-PS-ZIF，CAT-PS-ZIF@Mem的SDS-PAGE蛋白分析

圖3 細胞內ROS的檢測

（a）細胞與Vc，DCFH-DA共同孵育后，細胞內的ROS的熒光檢測。

（b）細胞和DCFH-DA共同孵育后，細胞內的ROS的熒光檢測

（c）細胞和CAT-PS-ZIF@Mem和DCFH-DA共同孵育后，細胞內的ROS的熒光檢測

（d）細胞和CAT-PS-ZIF@Mem 和DCFH-DA共同孵育后，細胞內的ROS的熒光檢測

(A1)-(D1)為DCF的熒光（綠色）,反映細胞內的ROS；(A2)-(D2)為明場；(A3)-(D3)默置的圖片。

圖4 CAT-PS-ZIF@Mem在不同細胞內的攝取對比

（a）Hela細胞內對CAT-PS-ZIF@Mem的攝取

（b）COS7細胞內對CAT-PS-ZIF@Mem的攝取。A1，B1為染料Hoechst33342的藍色熒光；A2,B2為AlPcS4的紅色熒光；A3,B3為明場；A4,B4為默置圖片。
（c） Hela（green）細胞和COS7(orange)細胞內的CAT-PS-ZIF@Mem

（d）流式細胞儀對應的MFI 值分析

圖5 巨噬細胞對CAT-PS-ZIF@Mem和CAT-PS-ZIF的細胞內攝取

(A)巨噬細胞對CAT-PS-ZIF@Mem 細胞內攝取情況的成像

(B)巨噬細胞對 CAT-PS-ZIF的細胞內攝取情況的成像。A1，B1為染料Hoechst33342的藍色熒光；A2,B2為AlPcS4的紅色熒光；A3,B3為明場；A4,B4為默置圖片。

(C)被巨噬細胞攝取的CAT-PS-ZIF@Mem （藍色）細胞和CAT-PS-ZIF（橘色）沒有做任何處理的細胞 (紅色) 控制組

(D)流式細胞儀對應的MFI 值分析

圖6 治療后對細胞凋亡的觀察

（a）只對細胞進行光輻照，觀察細胞的凋亡狀態。

（b）僅對細胞與CAT-PS-ZIF@Mem共同孵育，觀察細胞的凋亡狀態。

（c）僅對細胞與PS-ZIF@Mem共同孵育，觀察細胞的凋亡狀態。

（d）對細胞與PS-ZIF@Mem共同孵育并進行光輻照，觀察細胞的凋亡狀態。

（e）對細胞與CAT-PS-ZIF@Mem共同孵育并進行光輻照，觀察細胞的凋亡狀態。（A1）-(E1) 聯膜蛋白V標記的FITC染色，表征凋亡細胞。（A2）-（E2）明場；（A3）-（E3）默置

圖7 細胞凋亡時期分布對比

（a）在不同的治療下，Hela細胞凋亡狀況的流式分析

（b）早期凋亡細胞的百分比分析

（c）晚期凋亡細胞的百分比分析

（d）治療后死亡細胞的百分比

圖8 CAT-PS-ZIF和CAT-PS-ZIF@Mem的細胞毒性

（a）Hela細胞，與CAT-PS-ZIF孵育。黑色為沒有光照，灰色為光照

（b）COS7細胞，與CAT-PS-ZIF孵育。黑色為沒有光照，灰色為光照

（c）Hela細胞，與CAT-PS-ZIF@Mem孵育。黑色為沒有光照，灰色為光照

（d）COS7細胞，與CAT-PS-ZIF@Mem孵育。黑色為沒有光照，灰色為光照

圖9 小鼠不同位置的腫瘤組織的展示

（a）對種瘤小鼠僅注射PBS緩沖液

（b）靜脈注射PS-ZIF@Mem

（c）靜脈注射CAT-PS-ZIF@Mem。?A1-C1為染料DAPI的紅色；A2-C2為HIF-1α抗體(檢測低氧)的免疫熒光染色；A3-C3為默置圖片。

圖10 實驗鼠靜脈注射后，生物活體成像及器官的體外成像

（a）靜脈注射CAT-PS-ZIF@Mem，隨著孵育時間，活體成像的變化。 A1為孵育0h,A2為孵育1h,A3孵育4h，A4孵育6h，A5孵育8h，A6孵育24h，A7孵育48h，A8孵育72h。A9為為孵育72h后補充注射藥物，對各個器官進行體外成像。

（b）靜脈注射CAT-PS-ZIF,B1為孵育0h,B2為孵育1h,B3孵育4h，B4孵育6h，B5孵育8h，B6孵育24h，B7孵育48h，B8孵育72h，B9為孵育72h后補充注射藥物，對各個器官進行體外成像。

（c）藥物注射72h后，實驗鼠各器官對應的MFI值。

（d）血液中CAT-PS-ZIF@Mem和CAT-PS-ZIF的濃度隨著循環時間的變化。

圖11 在活體中靜脈注射抗癌研究

（a）注射藥物22天后， 小鼠不同位置腫瘤情況的照片

（b）注入不同治療藥物并進行光照治療后，不同位置腫瘤體積隨著時間的變化

（c）小鼠體重的變化

（d）腫瘤治療的變化

（e）通過免疫印跡法，對腫瘤中Caspase-3和Bcl-2蛋白表達的分析

（f）Caspase-3和Bcl-2蛋白表達定量分析

（g）不同治療后，對小鼠的GPT和AST的血清水平分析

（h）不同位置腫瘤組織的組織切片（通過H＆E染色）

【小結與展望】

基于沸石ZIF-8納米球合成的仿生氧氣自給予的納米平臺，可以用于活體中高效精準的腫瘤治療。 這個體系由于其表面的癌細胞膜的同源作用，即使在靜脈注射下，也可以逃逸免疫并有效的到達腫瘤組織。這個獨特的納米材料的仿生制備方法，期待被用于構造更多多功能的仿生平臺，可以應用于癌癥精準診療。

文獻鏈接：An O2?Self-Sufficient Biomimetic Nanoplatform for Highly Specific and Efficient Photodynamic Therapy（Adv. Fuct. Mater.,2016,DOI: 10.1002/adfm.201603212）

本文由材料人生物材料小組許紅威供稿，材料牛編輯整理。

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