刘宏、步文博&李琳琳 JACS : 自组装铜-氨基酸纳米颗粒用于微环境逻辑门控制的化学动力学癌症治疗

【背景介绍】

恶性肿瘤组织由于病理性原因，具有和正常组织不同的微环境，例如弱酸性pH、低氧和高谷胱甘肽(GSH)浓度等。能够响应特定肿瘤微环境(TME)的纳米制剂，可以以最小的侵入性和高特异性杀死癌细胞，有广泛的应用前景。最近发展的利用含过渡金属铁的纳米颗粒的化学动力学疗法可能在肿瘤区域产生高毒性活性氧(ROS)，实现高特异性和低毒性的动力学肿瘤治疗。例如，利用四氧化三铁、反铁磁性黄铁矿和含铁纳米颗粒与肿瘤组织中过量产生的H₂O₂反应，通过Fe²⁺催化的芬顿反应，产生羟基自由基(·OH)杀死肿瘤细胞。但是，尽管这些含铁的纳米制剂可以特异性响应TME，并且具有高的治疗特异性和低侵袭性，但是Fe2+催化的芬顿反应仅在强酸条件(pH=2-4)下进行，在生理中性条件和弱酸性肿瘤环境下反应效率相对较低。因此，开发在弱酸性TME中具有高催化活性和特异性的化学动力学纳米制剂是非常有意义的。

        与Fe²⁺催化的芬顿反应相比，Cu⁺催化的类芬顿反应即使在在弱酸性和中性条件下，Cu⁺催化的类芬顿反应也可以高效发生，可达到Fe²⁺芬顿反应速率的160倍。然而，由于Cu²⁺/Cu⁺(~0.16 V)的氧化还原电位低，Cu⁺非常容易被氧化成Cu²⁺，导致在体内纳米制剂的类芬顿反应难以发生。因此，如果能够利用肿瘤微环境中的特异性分子控制Cu⁺在肿瘤组织的特异性产生，进而通过类芬顿反应生成ROS，实现高特异性的肿瘤杀伤，将是非常巧妙且有意义的。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与纳米系统所李琳琳研究员、华东师范大学的步文博教授和山东大学刘宏教授（共同通讯作者）等人设计了一种自组装铜-氨基酸硫醇盐纳米颗粒（Cu-Cys NPs），可以按照“AND”逻辑门依次响应肿瘤微环境中的谷胱甘肽和H₂O₂，产生羟基自由基以实现化学动力学治疗癌症。首先，通过内吞作用到肿瘤细胞内的Cu-Cys NPs与局部GSH反应，GSH将Cu²⁺还原为Cu⁺并耗尽GSH。第二步，Cu⁺与局部H₂O₂反应，通过类Fenton反应生成高毒性的羟基自由基(·OH)，这一反应在弱酸性TME中具有高反应速率，有效诱导肿瘤细胞凋亡。由于肿瘤中GSH和H₂O₂与正常细胞相比特异性高浓度存在，GSH和H₂O₂控制的“AND”逻辑门对Cu-Cys NPs的“还原-氧化”进行精准的时空控制，对癌细胞表现出高细胞毒性，而对正常细胞的毒性极低。小鼠体内实验证实了Cu-Cys NPs能有效抑制耐药乳腺癌生长而不引起明显的全身毒性。作为肿瘤微环境特异性响应的新型硫醇铜纳米制剂，Cu-Cys NPs在化学动力学癌症治疗中具有巨大潜力。研究成果以题 “Self-Assembled Copper−Amino Acid Nanoparticles for in Situ Glutathione “AND” H2O2 Sequentially Triggered Chemodynamic Therapy” 发表在国际著名期刊JACS上。

山东大学博士生马保金和中科院北京纳米能源所博士生王舒是文章的并列第一作者。

【图文解析】

图一、Cu-Cys NPs合成工艺和含铜纳米制剂介导的化学动力学治疗的示意图

图二、Cu-Cys NPs的理化表征
（a）Cu-Cys NPs的SEM（左）和TEM（右）图像；

（b）L-胱氨酸和Cu-Cys NPs的HRTEM图像；

（c）Cu-Cys NPs和L-胱氨酸的XRD图谱；

（d）半胱氨酸、Cu-Cys NPs和L-胱氨酸的FT-IR光谱；

（e）Cu-Cys NPs的Cu 2p XPS光谱；

（f）EPMA对Cu-Cys NPs的S和Cu元素映射mapping；

（g）EPMA对Cu-Cys NPs中S和Cu的定量分析。
 
图三、Cu-Cys NPs体外化学治疗机制
（a）Cu-Cys NPs与GSH 反应产物（Cu-G）的激发和发射光谱；

（b）Cu-G的XPS能谱；

（c）pH = 7.4时，MB降解显示由Cu（I）和H₂O₂之间的类Fenton反应可以产生·OH；

（d）MB在不同时间点的降解过程；

（e）在不同pH条件下的MB降解速率；

（f）TPA与产生的·OH-诱导的荧光增强的反应。
 
图四、Cu-Cys NPs的细胞毒性和细胞内产生ROS
（a）Cu-Cys NPs培养24 h的不同癌细胞和正常细胞的存活率；

（b）Cu-Cys NPs培养48 h的不同癌细胞和正常细胞的存活率；

（c）HeLa细胞和ADSCs的活/死染色；

（d）Cu-Cys NPs处理的MCF-7R细胞中Cu和S的EPMA mapping；

（e） MCF-7R细胞中内吞的Cu-Cys NPs和胞内GSH的反应，反应产物具有红色荧光；

（f）100 μg mL^-1的Cu-Cys NPs处理前后MCF-7R细胞中的GSH/GSSG比率；

（g）Cu-Cys NPs处理之前和之后，ADSCs和MCF-7R细胞中的ROS染色；

（h）相对ROS应激水平；

（i）100 μg mL^-1的Cu-Cys NPs处理后，细胞流式分析显示MCF-7细胞中的亚G1比率。

图五、NOD-SCID免疫缺陷小鼠的MCF-7R原位异种移植瘤中使用Cu-Cys NPs与DOX进行体内癌症化疗
（a）显示Cu-Cys NPs处理期间小鼠中肿瘤大小的照片；

（b）治疗期间小鼠的体重变化曲线；

（c）治疗期间肿瘤大小的变化曲线；

（d）治疗40 d后来自MCF-7R荷瘤小鼠的肿瘤的数码照片；

（e）治疗后MCF-7R荷瘤小鼠内肿瘤的平均质量；

（f）MCF-7R荷瘤小鼠的肿瘤切片的H＆E染色和TUNEL染色；

（g）治疗后主要组织的组织学分析。

【小结】

总之，研究人员通过简单的化学配位过程合成了自组装的Cu-Cys NPs，利用肿瘤细胞内特异性高浓度的GSH和H₂O₂实现了“AND”逻辑门控制的还原-氧化反应诱导ROS产生，实现化学动力学疗法高特异性、高效地杀死癌细胞。小鼠的体内实验结果证实，与同等剂量的临床化疗药物阿霉素的低肿瘤抑制率和高毒性相比，Cu-Cys NPs可以有效地抑制耐药乳腺癌生长而没有明显的全身毒性。因此，作为一种新型金属有机硫醇盐纳米制剂，Cu-Cys NPs在特异性癌症化学动力学治疗方面具有潜力。

文献链接：Self-Assembled Copper−Amino Acid Nanoparticles for in Situ Glutathione “AND” H2O2 Sequentially Triggered Chemodynamic Therapy (JACS, 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b08714)
 

通讯作者及团队介绍

李琳琳，中科院北京纳米能源与系统研究所研究员，纳米能源与生物传感课题组负责人。2002年获安徽大学学士学位，2005年获北京师范大学硕士学位，2008年获中科院理化所博士学位。曾获2014年中科院卢嘉锡青年人才奖，2015年中科院青年促进会会员。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等10余项项目。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊发表第一/通讯作者39篇，论文共被引用5000余次，H-index为32，获授权发明专利7项，参编英文专著3章。

网页链接：http://www.escience.cn/people/linlinnano/

步文博，华东师范大学教授，国家杰出青年基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才。2002年于南京工业大学获博士学位，同年进入中国科学院上海硅酸盐研究所工作。2016年起作为特聘教授（二级）加盟华东师范大学化学与分子工程学院，担任上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室常务副主任、华东师范大学第三届科学研究委员会委员、化学院学术委员会副主任。以第一、通讯作者在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊上发表论文60余篇，论文SCI他引7000余次；获授权中国发明专利多项。

网页链接：https://faculty.ecnu.edu.cn/s/3327/main.jspy

刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室，济南大学前沿交叉科学研究院博士生导师，国家杰出青年基金获得者。主持了十五、十一五、十二五863、国家自然科学基金重大项目课题、重点项目，作为首席专家主持了十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目。在Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Fun. Mater.、Environ. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章200余篇，其中，影响因子大于10的近30篇，文章被引次数超过11000次，H因子为50，2015年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。

网页链接：http://www.liugroup.sdu.edu.cn/

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