JACS 报道: 过氧化铜纳米点的制备及其H2O2自供型化学动力学研究

【背景介绍】

化学动力疗法（CDT）是一种新兴的治疗方法，是利用芬顿（Fenton）反应类芬顿反应产生高细胞毒性的羟基自由基（•OH），即活性氧（ROS）。众所周知，芬顿或类芬顿反应在形成•OH的过程中主要依赖于过氧化氢（H₂O₂）和催化剂之间的相互作用，而不需要氧气和外部能量输入。这种独特的ROS产生模式使的CDT有望克服肿瘤光动力治疗中的缺氧环境下产生ROS效率低、光穿透深度不足等问题。尽管许多类型的肿瘤细胞都高表达H₂O₂，但是内源性产生H₂O₂的量仍难达到较好的化学动力学疗效。目前增加细胞内H₂O₂浓度主要有两种方法：1）增大线粒体中内源性H₂O₂的生成量；2）外源性H₂O₂的输送或生成。然而，线粒体产生的内源性H₂O₂会受到细胞内还原酶分解，从而降低其利用率。目前，由金属离子和过氧基团组成的金属过氧化物（MPs）被认为是H₂O₂的有效替代来源。由于Fe²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺和Co²⁺等几种金属离子均表现出优异的Fenton催化活性，因此Fenton型金属基MP-NPs有望作为一种简单且有前途的能够自给H₂O₂的CDT纳米剂。更重要的是，目前还没有报道过关于Fenton型金属过氧化物纳米材料。

【成果简介】

近日，美国国立卫生研究院的陈小元研究员和王生博士（共同通讯作者）共同报道了一种Fenton型金属过氧化物纳米材料，并证实其自身可以提供H₂O₂以增强CDT治疗效果。在氢氧根离子的辅助下，通过H₂O₂与Cu²⁺的配位作用可制备得到过氧化铜（CP）纳米点，配位作用在酸处理后可以发生逆转。CP纳米点被细胞内吞后进入肿瘤细胞，溶酶体的酸性环境加速了CP纳米点的分解，使具有Fenton催化活性的Cu²⁺和H₂O₂同时被释放，并发生类Fenton反应产生•OH杀死肿瘤细胞。此外，小颗粒的CP纳米点在静脉注射后于肿瘤组织中富集，从而有效地抑制肿瘤生长。该研究不仅提供了第一例关于Fenton型金属过氧化物纳米材料的制备，而且提出了一种有效提高CDT效率的新策略。研究成果以题为“Synthesis of Copper Peroxide Nanodots for H2O2 Self-Supplying Chemodynamic Therapy”发布在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【图文解读】

图一、H₂O₂自供型CDT的CP纳米点的形成

图二、CP纳米点的制备与表征
（a）PVP包裹的CP纳米点的合成方法示意图；

（b-d）CP纳米点的TEM、DLS和UV-vis吸收光谱；

（e）比色分析法证明CP纳米点中存在过氧基团；

（f-h）PVP包裹的CP纳米点的高分辨率O 1s、Cu 2p和XPS光谱。

图三、CP纳米点的形成与分解
（a）CP纳米点的形成和解离的示意图；

（b）b1：在不同摩尔比的NaOH与CuCl₂下，在PVP存在下获得的CP材料的照片；b2：添加H₂O₂前后具有不同pH值的CuCl₂溶液的照片；

（c）不同pH条件下从CP纳米点释放的Cu，表明酸诱导的解离；

（d）用H₂O₂、Cu²⁺或Cu²⁺+H₂O₂处理30 min的TMB水溶液的UV-vis；

（e）TMB测定在不同pH值下由CP纳米点产生的•OH的比色检测。

图四、不同浓度CP纳米点照射4 h后，DCFH-DA染色U87MG癌细胞的荧光图像

图五、体外检测ROS生成及CDT疗效
（a）各种浓度CP纳米点与U87MG细胞共孵育24 h后，对细胞的活/死染色；

（b）CP纳米点处理U87MG细胞12 h后，细胞凋亡图；

（c）CP纳米点孵育24 h后，体外CDT疗效。

图六、基于CP纳米点的CDT的治疗机制
（a）•OH引发的LPO的一般机理；

（b）亲脂性C11-BODIPY探针用于LPO的主要产物脂质氢过氧化物（LHP）的比率荧光成像检测；

（c）各种浓度的CP纳米点处理U87MG细胞4 h后， C11-BODIPY染色的CLSM图像；

（d）用或不用CP纳米点与U87MG细胞孵育24 h，AO染色的CLSM图像。

图七、CP 纳米点的体内CDT治疗
（a）在静脉注射24 h后，Cu在U87MG荷瘤小鼠的主要器官和肿瘤中的生物分布；

（b）盐水（对照组）或不同剂量的CP纳米点处理后U87MG荷瘤小鼠的相对肿瘤生长曲线；

（c）不同组中小鼠在观察期间的体重变化曲线；

（d）从不同组小鼠获得的肿瘤切片的H＆E染色图像；

（e）各种处理后TUNEL染色的肿瘤切片的荧光图像。

【小结】

综上所述，作者阐述了CP纳米点的制备及其作为自供H₂O₂的可激活型CDT试剂的应用。通过H₂O₂与Cu²⁺的配位，OH-辅助制备CP纳米点可在酸性pH下发生逆转。在癌细胞内吞作用后，pH响应性的CP纳米点在酸性的胞内体和溶酶体中分解并释放具有Fenton催化活性的Cu²⁺和H₂O₂。分解产物之间发生的类Fenton反应产生•OH，通过LPO过程破坏溶酶体膜的完整性，从而引发癌细胞死亡。小粒径的CP纳米点在肿瘤组织中能有效富集，而且CP纳米点具有pH调控的•OH生成性质。，因此，CP纳米点在体内具有较小的毒副作用，并能提供优异的化学动力学功效。该工作首次报道了Fenton型金属过氧化物纳米材料，并证明CP纳米点可以作为H₂O₂自供型 CDT抗癌试剂。

文献链接：Synthesis of Copper Peroxide Nanodots for H₂O₂ Self-Supplying Chemodynamic Therapy（JACS, 2019, DOI:10.1021/jacs.9b03457）

通讯作者简介

陈小元研究员于1993年和1996年分别获得南京大学化学学士和硕士学位，随后1999年获得美国爱达荷大学博士学位。经过Syracuse大学和Washington大学圣路易分校博士后训练，于2002年进入南加州大学放射学系任助理教授，2004年转入斯坦福大学，2008年升为副教授。2009年陈博士加入美国国立卫生研究院（NIH）生物医学影像及医学工程所（NIBIB）任终身资深研究员，分子影像及纳米医学实验室主任。2012年获NIBIB Mentor Award，2014年获 NIH Director’s Award，2016年获美国化学会Bioconjugate Chemistry Lectureship Award。陈博士已发表650多篇SCI论文（H影响因子＞110，引用率超过46000次）。陈博士是ACS Nano等多家杂志的编委，Theranostics杂志的创刊主编（目前影响因子达8.537），中美核医学及分子影像学会（CASNMMI）前任主席，美国核医学及分子影像学会（SNMMI）Radiopharmaceutical Science Council （RPSC）前任主委，以及中美纳米医学与纳米生物技术学会（CASNN）前任主委。

本文由CQR编译。

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