中科院长春应化所姜秀娥研究员Angew. Chem. Int. Ed.: 通过Cu-TCPP 纳米片在缺氧肿瘤中产生单线态氧并消耗GSH实现癌症治疗

【引言】

光动力疗法（PDT）是基于照射时组织氧和光敏剂（PS）之间发生反应产生的¹O₂实现的，其具有较小侵入性和高选择性，因而在癌症治疗中引起了广泛的关注。然而，氧依赖性、外源光穿透深度有限、治疗效率较低等几个缺陷仍然存在。为了解决关键的抑制作用，各种纳米级O₂释放以及GSH消耗的光动力试剂不断被开发出来，以缓解肿瘤缺氧或降低GSH浓度。此外，尽管局部光活化增强了选择性，但对外部光的依赖仍然极大限制了光动力疗法的发展。为了实现选择性肿瘤治疗，肿瘤微环境（以缺氧、酸性、高浓度H₂O₂和GSH为特征）已经得到广泛研究。然而目前的策略由于治疗效率低或材料合成复杂，显著影响了其临床应用。事实上，根据Russell机制，在痕量金属离子或酶存在下可以跟生物氢过氧化物反应来产生¹O₂，而且大多数生物氢过氧化物可以在活性氧的过氧化反应中产生，这表明其有可能取代依赖于光和氧气的光动力试剂。

【成果简介】

近日，中科院长春应化所姜秀娥研究员课题组报道了Cu-TCPP纳米片超薄二维金属有机骨架可以在肿瘤微环境中选择性地产生¹O₂，首先是酸性H₂O₂将TCPP配体过氧化，然后在具有过氧化物酶性质的纳米片和Cu²⁺的作用下被还原为过氧自由基，最后会发生基于Russell机制的自发重组反应。而且纳米片还可以消耗GSH。因此，Cu-TCPP纳米片可以高效地选择性地破坏肿瘤，证明其是克服目前光动力疗法限制的一种有效方式。该成果以题为" Specifically Generation of Singlet Oxygen via Russell Mechanism in Hypoxic Tumor and GSH Depletion by Cu‐TCPP Nanosheets for Cancer Therapy "发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上（文章TOC图如下）。

【图文导读】

图1 Cu-TCPP纳米片的合成及表征

(A) Cu-TCPP纳米片的合成方案和治疗机理；

(B) Cu-TCPP纳米片的TEM图像；

(C) Cu-TCPP纳米片的HRTEM图像；

(D) Cu-TCPP纳米片的AFM图像及其高度图；

(E) TCPP和Cu-TCPP纳米片的紫外-可见光谱；

(F) Cu-TCPP纳米片、TMB和H₂O₂混合物的pH依赖紫外-可见光谱及其照片（插图）；

(G) ICP测定的Cu-TCPP纳米片中Cu²⁺的含量和释放量。

图2 Cu-TCPP纳米片将GSH转化为GSSG

(A) 在不同时间点上，Cu-TCPP和GSH混合溶液的上清液中GSH和GSSG的含量；

(B) 不同条件下HeLa细胞中GSH/GSSG比值的检测；

(C) 加入DMPO的反应混合物的ESR光谱以测量O•- 2和•OH的信号。

图3 TCPP与 H₂O₂产生¹O₂的表征

(A) 以单独SOSG溶液为对照，SOSG与PBS中不同试剂反应的荧光光谱；

(B) SOSG检测到常氧和缺氧条件下Cu-TCPP纳米片与H₂O₂产生的¹O₂；

(C) 包含TCPP和H₂O₂反应溶液的MS谱图；

(D) SOSG检测到包含TCPP，HRP和H₂O₂的PBS中产生的¹O₂；

(E) 加入TEMP和H₂O₂后，有无GSH条件下Cu-TCPP的ESR谱；

(F) 加入TEMP和H₂O₂后，有无GSH条件下HRP+TCPP的ESR谱。

图4 Cu-TCPP纳米片处理细胞的CLSM图像及其细胞毒性测试

(A) Cu-TCPP纳米片处理前后SOSG染色的HeLa和L929细胞的CLSM图像；

(B) Cu-TCPP纳米片处理前后，在常氧和缺氧条件下染色的HeLa细胞的CLSM图像；

(C) 不同处理条件下HeLa细胞中DCFH-DA的荧光；

(D) MTT测定法测试纳米片的细胞毒性；

(E) Calcein AM 和 PI共染色测定法测试纳米片的细胞毒性。

图5 Cu-TCPP纳米片的体内肿瘤治疗效果

(A) 治疗后小鼠和肿瘤的典型照片；

(B) 每组小鼠的肿瘤重量；

(C) 每组小鼠的肿瘤生长曲线；

(D) 每组小鼠的小鼠体重变化曲线；

(E) 每组小鼠的正常组织和肿瘤组织的H&E染色图像。

【小结】

本文中，作者开发了一种Cu-TCPP纳米片的二维MOF，其能够通过与肿瘤微环境中高浓度的H₂O₂反应产生¹O₂并通过循环反应消耗GSH。因此，Cu-TCPP纳米片能够选择性产生¹O₂和抑制GSH对¹O₂的清除，从而实现体外和体内诱导肿瘤凋亡并且没有副作用。显然，这种方法有效避免了PDT必不可少地对氧气和外部光刺激的依赖，将为癌症治疗策略的发展提供有意义的启发和指导。

文献链接：Specifically Generation of Singlet Oxygen via Russell Mechanism in Hypoxic Tumor and GSH Depletion by Cu-TCPP Nanosheets for Cancer Therapy (Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201903981)

【团队介绍】

姜秀娥，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师。2005年博士毕业于中科院长春应化所。2006年~2010年先后在德国Bielefeld大学、德国ULM大学及德国Karlsruhe技术研究所从事洪堡学者及博士后研究。2010年加入中科院长春应化所电分析化学国家重点实验室，组建独立科研团队。2013年获“优秀青年基金”资助。主要从事纳米尺度细胞相互作用机制及效应的研究。至今，以第一作者和通讯联系人在Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. , ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Anal. Chem.等著名刊物发表文章66篇，相关论文被SCI论文引用2900余次。授权发明专利4项，撰写英文专著2章。荣获吉林省三八红旗手（2013年）及全国五一巾帼标兵（2015年）称号。

近年来，姜秀娥研究员团队围绕纳米细胞相互作用的动态响应机制开展了系统研究。基于表面增强红外光谱揭示了纳米材料与细胞膜的弱相互作用及材料的动态结构变化与生物效应的构效关系（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10052-10055）。进一步与成像分析结合，揭示了金属-有机配位聚合物及氧化物与细胞内氧化还原小分子的动态作用机制，构建肿瘤治疗新策略。例如，通过研究铁离子掺杂的聚二氨基吡啶纳米片（Fe-PDAP）及超薄二维金属有机框架（Cu-TCPP）与细胞内过氧化氢和谷胱甘肽相互作用，构建了光动力及化疗协同增强的新策略（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 106），提出Russell机制治疗肿瘤的新思路；采用室温还原方法在SiO₂-MB内核表面形成智能MnO₂壳，实现过氧化氢激活的氧气生成及光敏剂释放，有效提高肿瘤微环境响应的肿瘤诊断及治疗（Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604258）；通过一步生物矿化法制备了具有超强的光热转换效率，良好的光催化活性以及高X射线吸收系数的氧化铱纳米粒子（BSA-IrO₂ NPs），实现了光声和CT双重成像指导的光热光动力精准治疗。进一步利用其过氧化氢模拟酶特性，保护正常细胞免受H₂O₂诱导的活性氧压力及炎症，并基于微泡的空化作用显著增强光声成像（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10309）。

【相关优质文献推荐】

1. BSA-IrO₂: catalase-like nanoparticles with high photothermal conversion efficiency and X-ray absorption coefficient for anti-inflammation and tumor theranostics, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10309–10313.

2. A facile ion-doping strategy to regulate tumor microenvironments for enhanced multimodal tumor theranostics, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 106–109.

3. MnO₂ gatekeeper: an intelligent and O₂-evolving shell for preventing premature release of high cargo payload core, overcoming tumor hypoxia, and acidic H₂O₂-sensitive MRI, Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604258.

4. Revealing the nature of interaction between graphene oxide and lipid membrane by surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10052-10055.

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