中国药科大学 Nano Lett.报道: 纳米配位聚合物协同NO和化学动力学用于治疗肝癌

【背景介绍】

       一氧化氮（NO）是一种气体传递物，在心血管稳态、神经传递和免疫反应等各种生理和病理过程中起着重要作用。其中，目前越来越多的证据表明在癌症生物学领域，相对高水平的NO可作为细胞毒性和细胞凋亡诱导剂。NO在与氧气分子（O₂）、超氧离子（·O₂^-）和过渡金属反应后，会形成NO₂、N₂O₃、ONOO^-等各种活性氮氧物质（RNOS），生成的活性氮氧物质会氧化DNA并诱导单链断裂，进而导致肿瘤细胞的凋亡。同时，它们还通过硝化和亚硝基化反应调节肿瘤细胞中的氧化还原酶、蛋白酶和磷蛋白酶等各种代谢酶的活性。特别是，ABC转运蛋白（P-gp）中酪氨酸残基的硝化导致P-gp的转运功能丧失，减少肿瘤细胞对药物的外排，从而抑制细胞的耐药性。多项研究还发现NO可增强化学疗法、光动力疗法（PDT）和超声（US）疗法等其他治疗方法的功效。

         尽管通过对一氧化氮供体结构的巧妙的设计，能够通过简单地调节pH、光照、温度来控制供体产生NO的速率，但NO供体在对肿瘤部位的精确靶向和靶位处的控制释放在癌症治疗应用方面仍然是一个挑战。因此，在聚合物纳米载体、二氧化硅颗粒、金纳米颗粒和CaCO₃纳米颗粒的内部或表面携带NO供体，用以克服小分子NO供体的缺点。这些纳米载体利用EPR效应可改善NO供体的循环稳定性，避免全身分布，并增加在肿瘤处的NO积累。然而，目前用于NO供体递送的纳米载体仍具有以下的缺点：（1）供体的负载效率低；（2）非活性的纳米载体导致原子经济性低；（3）载体复杂的结构限制其潜在临床应用；（4）难以降解的载体导致低的释放效率，以上缺点致使协同疗法的优势难以发挥。

【成果简介】

最近，中国药科大学的丁娅教授和黄张建研究员（共同通讯作者）等人报道了一种谷胱甘肽（GSH）敏感的NO供体{1, 5-双[(L-脯氨酸-1-基)二氮烯-1-鎓-1, 2-二醇-O2-基] -2,4-二硝基苯，BPDB }，通过简单的沉淀和离子交换过程，与铁离子配位形成纳米配位聚合物（NCP），提高了NO的精确靶向性和协同治疗效果。其中，所制备的Fe(II)-BNCP具有良好的溶解性、生物相容性和体内循环稳定性。聚合物结构中的NO供体在肿瘤细胞内高浓度谷胱甘肽条件下快速释放NO，亚铁离子在肿瘤高浓度H₂O₂微环境条件下通过Fenton反应和Haber-Weiss反应分别产生羟自由基和过氧自由基。羟自由基发挥化学动力学治疗（CDT）功效；过氧自由基与释放出的NO迅速反应生成氧化能力更强的过氧亚硝基阴离子，增强NO的治疗活性。羟自由基和过氧亚硝基阴离子发挥化学动力学和NO的协同治疗效果。通过对上述各种自由基的检测，清晰地阐明了协同机制。与正常肝细胞相比，聚合物具有肝肿瘤细胞靶向自由基释放能力；在小鼠肝移植瘤模型中，表现出CDT与NO协同增强的抗肿瘤活性，且对正常组织/细胞的毒性较小。该研究不仅实现了NO-CDT疗法的协同效应，而且还提供了一种通过合理设计前药分子（例如NO供体）构建的纳米配位聚合物实现特异性的、简单且有效的纳米给药策略。研究成果以题为“Nanoscale Coordination Polymers for Synergistic NO and Chemo-dynamic Therapy of Liver Cancer”发布在著名期刊Nano Lett.上。

【图文解读】

图一、Fe(II)-BNCP的制备和作用机制
（A） Fe(III)-BNCP和Fe(II)-BNCP制剂的制备过程；

（B）Fe(II)-BNCP在肿瘤细胞中的NO-CDT协同治疗的示意图。

图二、 Fe(III)-BNCP和Fe(II)-BNCP的理化表征
（A）TEM图；

（B）EDS化学映射显示C、N、O和Fe元素的分布（C：红色，N：橙色，O：黄色和Fe：绿色）；

（C）XPS光谱图。其中，（a）Fe(III)-BNCP和（b）Fe(II)-BNCP。

图三、20 μg/mL NCPs的体外NO和自由基的释放量检测
（A） 不同GSH水平的释放量；

（B, C）·OH和·O₂^-从Zn(II)-DNCP、Fe(III)-DNCP、Fe(II)-DNCP、Zn(II)-BNCP、Fe(III)-BNCP和Fe(II)-BNCP在400 μM H₂O₂时的释放量；

（D） Zn(II)-DNCP、Fe(II)-DNCP、Zn(II)-BNCP和Fe(II)-BNCP在400 μM H₂O₂时产生ONOO^-的量。

图四、在HepG2细胞中，Zn(II)-DNCP、Fe(II)-DNCP、Zn(II)-BNCP和Fe(II)-BNCP的NO释放和ROS产生的CLSM图

图五、（a）盐水、（b）Zn(II)-DNCP、（c）Fe(II)-DNCP、（d）Zn(II)-BNCP和（e）Fe(II)-BNCP在人体肝癌异种移植ICR小鼠模型中的抗肿瘤效果
（A）治疗12天后，肿瘤体积变化图；

（B）治疗12天后，肿瘤组织重量变化图；

（C）治疗12天后，肿瘤大小变化照片；

（D）治疗12天后，小鼠的体重变化；

（E）治疗12天后，五组肿瘤小鼠的存活率；

（F）肿瘤组织切片的组织学观察（用H＆E染色）和在注射后12天从对照组和测试组检测肿瘤组织切片中的细胞凋亡。

【小结】

综上所述，作者合成具有双齿结构、GSH敏感的NO供体以配位Fe(III)，并通过离子交换制备得到Fe(II)-BNCP。其中，Fe(II)-BNCP具有良好的体内循环稳定性，特异性响应肿瘤微环境中的GSH释放NO并由H2O2诱导产生ROS。通过与没有NO供体部分和/或Fe2+离子的对照NCP相比，体外检测到NO的释放和·OH、·O₂^-和ONOO^-的产生，以证实Fe(II)-BNCP的协同NO-CDT机制。更重要的是，制备的Fe(II)-BNCP具有以下优点：（1）高原子经济性实现高载药效率（66.4％ BPDB）；（2）简单明确的结构；（3）100%的药物释放效率。设计制备的NCPs具有肿瘤微环境特异性，提高了肝脏肿瘤模型协同NO-CDT治疗的疗效和生物安全性。该工作不仅证明了配位聚合物的NO-CDT协同增强抗肿瘤活性，而且还提供了一种基于前药的纳米设计平台用于精确癌症治疗的新方法。

文献链接：Nanoscale Coordination Polymers for Synergistic NO and
Chemo-dynamic Therapy of Liver Cancer（Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01093）

通讯作者简介

丁娅，女，教授，博士生导师。教育部“新世纪优秀人才”支持计划（2010），江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师（2010），江苏省第五期“333高层次人才培养工程”培养对象（2016）。从事纳米药物分析和药物光谱分析相关研究，在纳米科技和药物材料研究方面的国际学术期刊发表SCI论文50余篇，拥有专利5项。获高等学校科学研究优秀成果奖，自然科学奖，一等奖1项（2011）。《有机光谱分析》教材编委，人民卫生出版社（2009）。《药学学报》中英双刊青年编委，《Chinese Chemical Letters》通讯编委，中国医药生物技术协会纳米生物技术分会常务委员，中国抗癌协会纳米肿瘤学专业委员会青年委员会委员，中国生物材料学会影像材料和技术分会委员。

黄张建，研究员，博士生导师。国家优青（2018），江苏省杰青（2016），教育部新世纪优秀人才（2013）。近年在药物化学、化学及相关领域杂志Journal of Medicinal Chemistry, Advanced Materials，Chemical Science等发表SCI科研论文50余篇，其中药物化学领域一区杂志Journal of Medicinal Chemistry 上发表13篇。申请中国发明专利15项，已获授权6项，申请PCT专利1项；主持国家自然科学基金4项；重大新药创制科技重大专项子任务1项；2014年获得中国药学会-施维雅青年药物化学奖，2014年江苏省双创计划团队核心成员，2016年江苏省“333”工程第三批培养对象。

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