武汉大学 ACS Nano 报道: 利用特异性响应的Mn(III)封印的MOFs纳米系统对肿瘤进行诊断治疗

【引言】

目前，光动力疗法（PDT）通过将光激发光敏剂（PS）的能量转移至氧气以产生高毒性的活性氧物质（ROS）诱导肿瘤细胞死亡，已经被广泛研究用于肿瘤治疗。但是PDT的进一步临床应用仍然面临着许多问题。例如常用的PS通常具有水溶性差、合成修饰复杂、有效载荷低、易聚集等缺点，且对肿瘤的靶向和积累能力较差。此外，在肿瘤细胞中过量表达的谷胱甘肽（GSH）不仅可以抵抗化学、放射和光动力治疗，而且可以作为一种抗氧化剂来清除胞内的ROS。并且过量的ROS也会对正常组织有毒副作用并在肿瘤区域引发炎症。因此，迫切需要一种可同时实现可控ROS产生和胞内GSH消除的智能递送系统来改善肿瘤部位的PDT治疗效果。

【成果简介】

近日，武汉大学的张先正教授（通讯作者）课题组报道了一种由Mn(III)和卟啉（TCPP）通过“一锅法”设计合成的Mn(III)封印的金属有机骨架（MOFs）纳米系统。其中，Mn(III)作为封印剂不仅可以淬灭基于TCPP的荧光，而且还会抑制其介导的活性氧（ROS）产生，使得MOFs成为一种惰性诊疗纳米颗粒。在被肿瘤细胞内吞后，由于Mn(III)会与胞内的谷胱甘肽（GSH）发生氧化还原反应，使得MOFs被GSH分解成Mn(II)和游离TCPP，从而实现抗氧化剂GSH的消耗和激活的基于Mn(II)的磁共振成像（MRI）以及基于TCPP的荧光成像。更重要的是通过GSH控释TCPP可在光照下实现可控的ROS产生，有效避免副作用。因此，这种GSH特异性响应的可同时实现GSH消耗和可控ROS产生的Mn(III)封印的MOFs可显著的提升光动力疗法的治疗效率。研究成果以题为“A Mn(III)-Sealed Metal−Organic Framework Nanosystem for Redox-Unlocked Tumor Theranostics”发表在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文解读】

图一、内吞后Mn(III)封印的MOFs纳米系统用于MRI和OI介导的PDT作用示意图

图二、Mn(III)-TCPP MOFs的表征
（A）MOFs的SEM图；

（B）MOFs的TEM和HR-TEM图；

（C）MOFs的AFM图；

（D）MOFs的TEM图；

（E）XRD图；

（F）MOFs的热重分析；

（G）TCPP、MOFs和TCPP(Mn)的紫外-可见光谱；

（H）Mn 3s的XPS光谱；

（I）Mn元素的ESR谱。

（J）不同GSH浓度下的MOFs的SEM图。

图三、MOFs的性能表征
（A）GSH触发的MOFs解体机制；

（B）用DTNB检测GSH消耗；

（C）GSH响应性TCPP的释放；

（D）有或无GSH（2.5 mM）下的MOFs的T₁加权成像；

（E）Mn(OAc)₃的紫外-可见光谱以及MOFs和TCPP的荧光光谱；

（F）MOFs荧光随GSH浓度变化；

（G）用SOSG检测ROS的产生；

（H）高浓度GSH溶液中MOFs在660 nm照射后SOSG的荧光强度；

（I）在10 mM GSH下不同的材料介导的ROS产生。

图四、MOFs的体外解离及其对细胞氧化压的影响
（A）孵育4 h后，CLSM检测的胞内MOFs荧光随时间的变化；

（B, C）在孵育4 h后，0 min（红色）、20 min（橙色）和40 min（绿色）后胞内MOFs的荧光信号，流式分析和相应的统计分析结果；

（D）用不同样品处理后的细胞内GSH水平；

（E, F）用PBS + hv（红色）、Mn(OAc)₂ + hv（蓝色）、TCPP + hv（橙色）、MOFs（绿色）和MOFs + hv（深绿色）处理后流式检测相应细胞内ROS含量及其统计分析结果；

（G）通过CLSM检测细胞ROS产生。

图五、评估MOFs介导的细胞毒性
（A）MOFs处理的不同细胞系的细胞毒性；

（B）TCPP + hv和TCPP + L-BSO + hv孵育后的细胞毒性；

（C）不同材料处理后的细胞毒性；

（D）不同材料处理后检测活细胞/死细胞比例；

（E）通过流式用膜联蛋白V-FITC/PI来评估细胞死亡的机制。

图六、MOFs在体内的成像效果
（A, B）瘤内注射30 min后，在肿瘤部位的荧光和T₁造影信号；

（C）静脉注射MOFs后的体内MRI信号；

（D）静脉注射材料的荧光成像和给药36 h后组织荧光；

（E）注射36 h后的小鼠组织的MFI值；

（F）MOFs和TCPP在血液循环中的药代动力学；

（G）血生化和血常规分析主要参数的热图；

（H）用DCFH-DA（绿色）检测的肿瘤组织的氧化压。

图七、生物安全性和治疗效率的评估
（A, B）14天治疗期间各种处理后小鼠体重和肿瘤体积的变化；

（C, D）离体肿瘤组织的重量和照片；

（E）14天后肿瘤的H＆E切片分析、TUNEL（绿色）和Ki67（绿色）免疫荧光。

【小结】

综上所述，作者通过“一锅法”成功构建了Mn(III)封印的MOFs纳米系统。体外和体内实验证明MOFs会特异性响应肿瘤细胞中过表达的GSH而发生解体，产生GSSG、Mn(II)和游离TCPP。在这个过程中，细胞内的GSH被消耗，基于Mn(II)的MRI和基于TCPP的OI被激活。同时GSH还可以通过调控MOFs中TCPP的释放来有效地控制ROS产生，以避免过量ROS带来的副作用。借助于激活的MRI和OI成像诊断技术，具有可控ROS产生及GSH消耗的MOFs纳米颗粒能显著增强PDT的治疗效果，进而实现肿瘤的全面压制。

文献链接：A Mn(III)-Sealed Metal−Organic Framework Nanosystem for Redox-Unlocked Tumor Theranostics (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b00300)

本文由材料人CQR编译。

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