ACS Nano：基于可注射磁性水凝胶的磁感应热和纳米酶催化协同增强肿瘤治疗效果

【研究背景】

磁感应热疗作为新型肿瘤治疗策略，为肿瘤治疗带来了新突破，尤其是基于磁性纳米材料的磁感应热疗，它利用磁性纳米颗粒为磁介质，以静脉注射或原位介入等方式进入肿瘤组织后，在外加交变磁场的作用下，磁介质由于尼尔弛豫(Néel Relaxation) 和布朗弛豫(Brownian Relaxation)等效应而发热，使肿瘤组织快速达到一定的温度而杀灭或诱导肿瘤细胞凋亡，并且磁场穿透深度强，副作用小，更适合深部肿瘤组织治疗与临床转化。一般来说，肿瘤磁感应热疗主要有两个温度窗口：肿瘤组织温度在50度以上的磁感应热消融治疗可以非常有效、快速地消除肿瘤，但也容易对周围正常组织造成损伤。40-45℃左右的低温范围可以在正常细胞不受损伤的情况下诱导癌细胞死亡，但肿瘤细胞往往会产生对热应激的抵抗力而无法彻底杀死肿瘤细胞。与其他治疗方式相结合可以增强热疗的疗效，如光动力疗法和化疗等，然而，治疗系统设计的复杂性和随后的肿瘤复发依然使得治疗效果不尽如人意。因此，进一步探索温和热疗下新的治疗策略具有重要意义。

【成果简介】

近日，东南大学马明副教授、顾宁教授和张宇教授设计了一种磁性水凝胶纳米酶（MHZ），它利用PEG化纳米颗粒与α-环糊精之间的包合作用形成具有剪切变稀效应和温敏相转变能力的超分子水凝胶治疗平台；以 PEI 修饰的 8 nm Fe₃O₄ 纳米颗粒为磁热源和类过氧化物酶；将凝胶注射于肿瘤组织，施加交变磁场使 Fe₃O₄ 颗粒产热至 42 °C，肿瘤组织得到热疗的同时凝胶液化促进凝胶中各组分在肿瘤细胞间隙扩散，并产生较高浓度的 H₂O₂，Fe₃O₄ 颗粒在肿瘤微酸性环境中发挥模拟酶功效，通过芬顿反应催化 H₂O₂ 产生 ·OH 杀伤肿瘤细胞。热疗促进 Fe₃O₄ 纳米酶酶活性增强而产生更多 ·OH，·OH 进一步损伤热疗中高表达的热休克蛋白 HSP 70 等，使得热疗效果提升，基于磁性纳米颗粒的磁感应热疗和纳米酶促氧化协同治疗使得肿瘤治疗效果显著，42 °C 温热疗即可消退小鼠乳腺癌皮下瘤。该文章近日以题为“Enhanced Tumor Synergistic Therapy by Injectable Magnetic Hydrogel Mediated Generation of Hyperthermia and Highly Toxic Reactive Oxygen Species”发表在知名期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图一：磁性水凝胶纳米酶（MHZ）的微结构和应用的示意图

（a）MHZ的制备过程和组成成分。

（b）MHZ产生磁感应热和纳米酶催化协同治疗肿瘤示意图。

图二：MHZ的结构和理化性质表征

（a）PLGA纳米胶囊和（b）PFOB纳米乳剂的TEM负染色图像。

（c）Fe₃O₄ NPs的TEM图像。

（d）包含GOD和D-甘露醇的α-CD水溶液。

（e）温度诱导的MHZ的凝胶-溶胶转变的热图像和MHZ的相应照片，在ACMF作用下，其凝胶-溶胶转变温度为42°C。

（f）用含有MHZ的注射器可书写图案且在包含TMB的结冷胶基底上可发生显色反应而使图案变蓝。

（g）冷冻干燥后MHZ的SEM图像。

图三：MHZ的凝胶机理、流变性能和加热性能

（a）α-CD，PFOB@DSPE-MPEG2000和PLGA-MPEG纳米胶囊以及冷冻干燥的MHZ样品的XRD曲线。

（b）MHZ的粘度在20°C至42°C范围内随温度变化曲线。

（c）MHZ在振荡温度扫描模式下的模量变化实验。

（d）相同Fe浓度的MHZ和Fe₃O₄@PEI NPs在ACMF（410 kHz，1.2 kA m^-1）下的时间-温度曲线。

图四：MHZ的体外催化性能

（a）比较三种不同的表面改性的Fe₃O₄纳米颗粒的催化性能。

（b）MHZ在20至45°C温度范围内产生羟自由能力的变化。

（c）不同的温度下MHZ催化能力随着浓度的葡萄糖（8、4、2、1和0.5 mM）变化的曲线。

（d）MHZ在42°C，pH = 5.2时的催化能力随时间变化曲线。（10 μL，10 mg/mL TMB; 32μL，30 wt％H₂O₂）。

图五：MHZ在肿瘤组织中的离体扩散性能

（a）MHZ在ACMF照射下在离体肿瘤组织中的扩散过程。

（b）在添加D-甘露醇前后的肿瘤组织的H＆E染色图像。

（c）ACMF和D-甘露醇共同作用前后，肿瘤组织的PB＆NFR双重染色图像。

（d）注射MHZ后，暴露于ACMF 10分钟前后获得的荷瘤小鼠的T2加权MR图像。

图六：肿瘤治疗过程中不同实验组的分类图像

不同实验组分类情况及红外热成像监测MHZ和热疗组在ACMF作用下的热疗过程。

图七：体内抗肿瘤效果

（a）30天后不同治疗组4T1荷瘤小鼠的照片。

（b）治疗30天后各组4T1荷瘤小鼠肿瘤切片的H＆E染色图像。

（c）HSP 70在三组肿瘤组织中的免疫组化及定量对比。

图八：不同实验组肿瘤体积及存活率

（a）治疗后不同组的相对肿瘤体积（插图：离体肿瘤对比）。

（b）经过不同治疗过程后，4T1荷瘤小鼠的长期存活率。

【结论展望】

综上所述，作者提出了一种由磁热驱动克服肿瘤内扩散障碍和发挥协同治疗效应的智能可注射超分子水凝胶MHZ。MHZ利用PEG化纳米粒子和α-CD之间的包合作用成胶并且具备剪切变稀可注射性能和42℃相变液化能力。通过小鼠4T1肿瘤治疗试验发现，MHZ可在42℃温和热疗温度下结合纳米酶促氧化的能力，协同治疗消退小鼠肿瘤。这使得长期困扰肿瘤热疗中细胞对热应激的抵抗力问题获得突破的希望。这种由单一纳米颗粒发挥高温和催化疗法的双重功能以协同地治疗肿瘤策略为更安全和精确地协同治疗实体瘤提供了通用平台。后续作者将更加系统地研究肿瘤磁感应热疗中存在的瓶颈，以期为磁感应热疗走向临床贡献绵薄之力。

文献链接：Enhanced Tumor Synergistic Therapy by Injectable Magnetic Hydrogel Mediated Generation of Hyperthermia and Highly Toxic Reactive Oxygen Species(ACS Nano 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b06134)

课题组介绍

张宇教授:东南大学生物科学与医学工程学院副院长，生物电子学国家重点实验室常务副主任、江苏省生物材料与器件重点实验室副主任，江苏省高校生物医学工程学科联盟理事长。主要研究方向为磁性纳米材料及生物医学纳米技术，致力于纳米酶、POCT快速诊断、分子影像及肿瘤诊疗一体化研发、应用及产业化。研制出首个MRI造影用纳米氧化铁国家标准物质以及纳米酶活性测量方法的国家标准，填补了国内外空白；通过构建超小磁性纳米探针突破了肝脏原位肿瘤难以主动靶向成像的难题；建立了磁性纳米探针评价肿瘤EPR效应并指导纳米药物用药的方法；构建了多模态影像指导的纳米探针靶向肿瘤磁感应热疗以及多种智能介入栓塞热疗微球与磁凝胶。发现了Fe₃O₄纳米颗粒具有pH依赖的双酶活性，发现了Co₃O₄和普鲁士蓝（PB）纳米颗粒具有更丰富的多酶活性，提出电荷转移的催化新机制；基于PB纳米酶实现了对炎症在体超声和磁共振双模成像，并发现其具有广泛的清除ROS和抗氧化、抗炎能力。还发展了多种具有自主知识产权的利用纳米酶进行免疫检测的新方法，完成临床病例检测近300例。已发表 SCI论文 100 多篇，包括 JACS、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials 等，申请专利20多项，参与获国家省部级科技进步奖5项，主持或参与多项国家自然科学基金项目、国家973、863项目、科技支撑计划、重点研发计划等课题。

课题组主页：http://lbmd.seu.edu.cn/nano/

团队在相关领域研究文献：

肿瘤磁感应热消融：Wu, Haoan, et al. "Injectable thermosensitive magnetic nanoemulsion hydrogel for multimodal-imaging-guided accurate thermoablative cancer therapy." Nanoscale 9.42 (2017): 16175-16182.

磁感应热化疗清除肿瘤术后残余：Wu, Haoan, et al. "Injectable magnetic supramolecular hydrogel with magnetocaloric liquid-conformal property prevents post-operative recurrence in a breast cancer model." Acta biomaterialia 74 (2018): 302-311.

四氧化三铁纳米颗粒双酶活性：Chen, Zhongwen, et al. "Dual enzyme-like activities of iron oxide nanoparticles and their implication for diminishing cytotoxicity." Acs Nano 6.5 (2012): 4001-4012.

本文由大兵哥供稿。

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