武漢大學張先正ACS Nano：用于癌癥定向饑餓和光動力學療法的膜修飾級聯反應器

【引言】

目前，癌癥的治療仍然存在著諸多的困難。而選擇性地切斷腫瘤細胞的營養供給及其代謝途徑，將是提高腫瘤治療效率的有效途徑。在此基礎上，研究人員提出構建了一種腫瘤靶向級聯生物反應器，并將其命名為mCGP；這種生物反應器通過嵌入到由癌細胞膜修飾的卟啉金屬有機骨架（MOFs）中和葡萄糖氧化酶（GOx）以及過氧化氫酶相作用可用于腫瘤細胞的饑餓和光動力學療法。

【成果簡介】

近期，來自武漢大學生物醫用高分子材料重點實驗室的張先正教授（通訊作者）等人在ACS Nano上發表了一篇題為“Cancer Cell Membrane Camouflaged Cascade Bioreactor for Cancer Targeted Starvation and Photodynamic Therapy”的文章，文章中指出改變癌細胞的代謝途徑是癌癥靶向治療的有效方法。癌細胞的異常增殖需要足夠的營養和能源供應從而維持它們的生存和成長。而細胞內葡萄糖的分解會導致癌細胞對葡萄糖濃度的變化更加敏感。基于此，利用腫瘤靶向級聯生物反應器來進行癌癥的饑餓療法和光動力療法將會是非常有效的。

【圖文導讀】

圖1 用于癌癥靶向饑餓療法和PDT療法的生物反應器示意圖

A）mCGP的制備工藝；

B）靜脈注射后mCGP的生物相容性和同型定位能力；

C）級聯反應會放大mCGP的協同作用，從而使其切斷癌細胞的葡萄糖供應并促進O₂的產生。

圖2 mCGP的特征

A）PCN-224的掃描電鏡照片；

B）PCN-224的透射電鏡照片；

C）mCGP的透射電鏡照片及高分辨率透射電子顯微鏡圖像；

D）粒徑分布；

E）PCN-224, mCP, mGP 和mCGP的Zeta電位；

F）7天內mCGP的粒徑分布和聚合物分散性指數的變化；

G）PCN-224和mCGP的多晶X射線衍射圖；

H）十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰氨凝膠（SDS-PAGE）蛋白分析。

圖3 mCGP中的級聯反應

A）級聯反應示意圖；

B）葡萄糖存在和不存在的條件下mCGP溶液中pH值的變化；

C）H₂O₂或葡萄糖存在的條件下O₂濃度的變化；

D）在光照，mCGP，mCGP和光照或 mCGP，光照和NaN₃條件下SOSG的熒光變化；

E）SOSG對應于OFF-ON輻照響應的熒光變化；

F）在不存在O₂且H₂O₂，光照或H₂O₂和光照都存在的條件下SOSG的熒光變化；

G）共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）照片；

H）流式細胞儀的分析結果。

圖4 mCGP的同型定位和生物相容性

A）共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）照片；

B）被PCN-24或mCGP處理過的RAW264.7 的CLSM照片；

C）COS7和 4T1細胞的流式細胞儀分析；

D）相應的平均熒光強度（MFI）分析；

E）RAW264.7的流式細胞儀分析；

F）相應的平均熒光強度分析；

G，H）被mCGP處理和用 MitoTracker Green以及LysoTracker Green染色后的4T1細胞的CLSM照片和其相應的熒光強度剖面分析。

圖5 mCGP的癌癥靶向治療和滯留能力

A，B）在不同時間間隔內靜脈注射mCGP或PCN-224后，攜帶4T1癌癥細胞的小鼠的體內和體外熒光圖像；

C）不同時間間隔內靜脈注射后，在癌癥部位所進行的半定量平均熒光強度（MFI）分析；

D）經靜脈注射24h，48h，72h，96h后被殺死的癌變組織的熒光圖像；

E，F）在多次靜脈注射mCGP或PCN-224后，對主要器官和癌變組織進行半定量MFI分析。

圖6 mCGP的協同和光動力效應

A，B）氧氣濃度分別為21%和2%時通過MTT法檢測mCGP在黑暗和光照條件下對4T1細胞的毒性；

C）氧氣濃度為2%時，mCGP在黑暗和光照條件下對4T1細胞的毒性；

D）空白對照組。

圖7 體內mCGP的抗癌效率

A）癌癥靶向，保持，排泄行為和mCGP協同饑餓及光動力療法的示意圖；

B，C）術后14天腫瘤體積和體重的相對變化；

D，E）在不同方法治療14天后腫瘤的平均重量和有代表性的癌變組織；

F）免疫熒光染色檢測；

G）不同處理14天后殺死的癌變組織。

【小結】

由一種智能級聯生物反應器構建的饑餓療法和光動力療法能夠顯著提高癌癥的治療效率。因為其功能化的仿生表面，該生物反應器可以避免被體內免疫細胞所清除，同時其具有的同型定位行為將廣泛改善癌癥藥物在體內的積累和保持能力。即使是在不理想的癌癥微環境中，這種級聯生物反應器也將進一步促進互補模式的發展，以便更有效的用于癌癥的治療。

文獻鏈接：Cancer Cell Membrane Camouflaged Cascade Bioreactor for Cancer Targeted Starvation and Photodynamic Therapy（ACS Nano，2017，DOI: 10.1021/acsnano.7b02533）

通訊作者簡介：張先正教授，1994年于武漢大學獲學士學位，1997年于武漢大學獲碩士學位，2000年于武漢大學獲博士學位。2000年9月至2001年8月在新加坡材料研究所(IMRE)作Research Associate。2001年9月至2004年9月在美國康奈爾大學(Cornell University)作博士后。自2004年9月起在武漢大學化學與分子科學學院高分子系任教授。中國生物材料學會理事會理事，中國化學會高分子學科委員會委員，中國材料研究學會高分子材料與工程分會常務理事，國家自然科學基金委員會工程與材料科學部專家評審組成員，四川大學高分子材料工程國家重點實驗室學術委員會委員，浙江大學高分子合成與功能構造教育部重點實驗室學術委員會委員，南開大學功能高分子材料教育部重點實驗室學術委員會委員，SCI期刊Journal of Bioactive and Compatible Polymers編委、Regenerative Biomaterials編委、Chinese Chemical Letters編委、《高分子學報》編委、《高分子材料科學與工程》編委、《國際生物醫學工程雜志》編委和《功能材料》編委等。

本文由材料人編輯部高分子小組Andy提供，材料牛編輯整理。

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