苏州大学李桢AFM：通过多功能仿生纳米催化剂和NIR-II光照增强的化学动力学肿瘤治疗

【研究背景】

近年来，基于Fenton反应的化学动力学疗法（CDT）作为一种新兴的纳米催化疗法已引起越来越多的关注，因为它利用癌细胞中过量产生的内源性化学物质（例如H₂O₂）产生活性氧（ROS）来杀死癌细胞。但是，芬顿反应的化学动力学一直是提高治疗功效的挑战。有研究表明，通过设计高性能的Fenton催化剂，调节H₂O₂浓度、肿瘤部位反应温度等反应参数，可以提高Fenton反应的动力学更好的用于治疗肿瘤。然而，H₂O₂在肿瘤中的时间依赖性变化并不清楚，也无法被监测到，这导致难以确定施加外部刺激以增强Fenton反应的最佳时间。另外，缺乏有效的外部刺激来大幅度增强Fenton反应。因此，同时应用不同的内部和外部策略，最大限度地增强Fenton反应，是CDT治疗获得良好疗效的关键，而这一点尚未被很好地实现。

【成果简介】

近日，苏州大学李桢教授使用仿生CS‐GOD@CM的有效CDT治疗乳腺癌的方法纳米催化剂经过合理设计，可通过改善肿瘤内的H₂O₂浓度并以最大浓度应用近红外第二窗口（NIR-II）光照射来显著促进Fenton反应，该NIR-II光照射可通过光声成像进行监控。仿生纳米催化剂由超小型Cu_2-xSe（CS）纳米颗粒、葡萄糖氧化酶（GOD）和肿瘤细胞膜（CM）组成。纳米催化剂可以在肿瘤中滞留两天以上，氧化葡萄糖并增加H₂O₂约2.6倍以增强在NIR-II辐射下的Fenton反应。这项工作首次证明了近红外光增强了CDT对癌症的治疗。该文章近日以题为“Boosting H2O2-Guided Chemodynamic Therapy of Cancer by Enhancing Reaction Kinetics through Versatile Biomimetic Fenton Nanocatalysts and the Second Near-Infrared Light Irradiation”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、NIR-II窗口照射增强Fenton反应治疗乳腺癌的示意图

图二、CS-GOD@CM纳米颗粒的制备及表征

（a）CS-GOD@CM纳米颗粒的制备示意图。

（b）CS-GOD纳米颗粒和CS-GOD@CM纳米颗粒的TEM图像。

（c）来自I）4T1细胞裂解物，II）4T1 CM囊泡和III）CS-GOD@CM纳米颗粒的蛋白质的SDS-PAGE分析。

（d）分别用CS-GOD@CM纳米颗粒孵育1h 的3T3细胞，U87细胞和4T1细胞的CLSM图像。

（e–g）葡萄糖、CS-GOD@CM纳米颗粒、GOD和葡萄糖混合物以及CS-GOD@CM纳米颗粒与葡萄糖混合物溶液中时间依赖的pH，H₂O₂和O₂变化。

图三、CS-GOD@CM纳米颗粒和葡萄糖之间的级联反应

（a）级联反应生成羟基自由基(•OH)的示意图。

（b）经典Fenton反应与NIR-II光促进的Fenton反应的原理图比较。

（c）不同葡萄糖浓度下，CS-GOD@CM催化产生·OH氧化TMB随时间变化的吸光度变化，插图为不同溶液照片。

（d）不同实验组中产生·OH氧化对苯二甲酸及产物荧光检测。

（e）DCFH-DA与不同实验组在1064nm激光照射或不照射的情况下的FL光谱。

（f）由Lineweaver–Burk图得到的反应速度与葡萄糖浓度的关系。

（g）检测428 nm的荧光强度变化得到的TA的氧化速率。

（h）检测525 nm的荧光强度变化得到的DCFH-DA的氧化速率。

图四、CS‐GOD@CM纳米颗粒在细胞内的Fenton反应

（a）CS-GOD@CM纳米颗粒与4T1细胞孵育不同时间后细胞内H₂O₂浓度变化。

（b-e）不同孵育条件下4T1细胞的b）·OH成像的CLSM；c）·OH检测的流式细胞分析；d）流式检测的细胞凋亡；e）CLSM图像中JC-1的聚集体和单体的FL表示细胞的线粒体去极化。

（f）流式检测得到的凋亡细胞与正常4T1细胞之比。

图五、PA成像指导的体内肿瘤治疗

（a）由CS-GOD@CM纳米粒子催化的级联反应及其反应产物的变化示意图。

（b）尾静脉注射CS-GOD纳米颗粒或CS-GOD @ CM纳米颗粒前后收集的4T1荷瘤小鼠的肿瘤的PA图像。

（c）注射CS‐CD @ CM纳米粒子后，时间依赖的肿瘤内氧合血红蛋白（HbO₂）和血红蛋白（Hb）的浓度。

（d）（b）和（c）中所示的相对信号强度。

（e）经过2天的不同处理后，不同组小鼠的肿瘤组织DCFH-DA染色图像。

图六、CS‐GOD @ CM纳米颗粒的体内抗肿瘤评估

（a）小鼠肿瘤建立和PA指引的小鼠肿瘤治疗示意图。

（b）不同治疗组4T1荷瘤小鼠的肿瘤切片的免疫荧光图像。

（c-e）不同治疗组小鼠体重变化、相对肿瘤体积变化、存活率。

（f）肺组织中转移结节的数量。

（g）肺组织中转移结节的H＆E染色图像。

图七、小鼠机体毒性

与健康小鼠相比，CS-GOD@CM纳米颗粒治疗后不同时间从4T1荷瘤小鼠收集的心、肝、脾、肺、肾的H＆E切片，没有观察到明显的损伤。

【结论展望】

综述所述，作者证明了通过使用癌细胞仿生亚硒化铜（Cu_2-xSe，CS）人造纤维纳米粒子和NIR-II光的照射可以增强H₂O₂引导的肿瘤化学动力学治疗。实验证明制备的CS-GOD@CM纳米颗粒可以在体内和体外引发级联反应，即葡萄糖的有效氧化和H₂O₂的降解通过Fenton反应，当H₂O₂的浓度达到最大值时，通过用1064 nm激光辐照，CS纳米粒子在NIR窗口中具有强烈的局部表面等离子体共振可以极大地增强Fenton反应。NIR-II辐照极大地增强了Fenton反应，在短时间内产生了大量的•OH自由基和其他ROS，从而获得了出色的乳腺癌治疗效果。这项工作凸显了NIR-II光Fenton反应在癌症治疗中的巨大潜力，并从增加反应动力学的角度为光Fenton反应的高性能仿生纳米催化剂的合理设计提供了指导。

文献链接：Boosting H₂O₂-Guided Chemodynamic Therapy of Cancer by Enhancing Reaction Kinetics through Versatile Biomimetic Fenton Nanocatalysts and the Second Near-Infrared Light Irradiation (Adv. Funct. Mater. 2019, 1906128)

课题组简介：

李桢教授：苏州大学放射医学与防护学院特聘教授，博士生导师，入选中组部“青年千人计划”、江苏省“双创人才”、江苏省“特聘教授”、“洪堡”学者。2005年博士毕业于中国科学院化学研究所，之后9年间先后在英国利物浦大学、德国锡根大学、澳大利亚昆士兰大学和澳大利亚卧龙岗大学工作，于2014年加入苏州大学放射医学与防护学院，开展多模态分子影像、纳米医学方面的相关研究。在相关领域发表SCI论文130余篇（其中影响因子>10的有40余篇），论文被引 6900余次，h因子42。研究成果荣获北京市科学技术一等奖、苏州市科技三等奖和华夏医学科技三等奖等奖励。目前参与或主持科技部纳米重点专项、基金委重大仪器研究项目、基金委面上项目、江苏省重点研发计划等。

本文由大兵哥供稿。

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