暨南大学 AFM 报道：多功能、长时间储存氧气的纳米系统用于治疗缺氧诱导的鼻咽癌

【背景介绍】

缺氧是指机体维持正常器官功能所必需的氧气（O₂）供应不足和营养分配不均的状态，会影响器官发育、体内平衡和肿瘤发生的典型生理应激源。在临床治疗中，减轻肿瘤缺氧可以减少恶性肿瘤的发生、转移、血管生成、多药耐药性和放疗耐药性。因此，如何减少肿瘤缺氧区域是提高肿瘤治疗效率的关键。近年来，提出了将O₂直接递送至肿瘤中或利用催化剂原位催化以产生O₂来解决肿瘤缺氧的问题。然而，这些策略被动地局限于患者的状况、新陈代谢以及内源性物质的水平。因此，研究人员设计了多种O₂递送策略，以增强肿瘤细胞对化学/放射治疗的敏感性。其中，制备的具有中空结构的全氟化碳纳米颗粒可以在近红外（NIR）照射下快速释放O₂，以促进肿瘤氧合，但是这些纳米颗粒中的氧气仅保留1 h，不利于临床使用。因此，开发一种将氧气输送到肿瘤中，同时还储存氧气以供应纳米系统显得非常重要。

【成果简介】

基于此，暨南大学的陈填烽教授（通讯作者）团队报道了一种可以长时间储存氧气的纳米系统（O₂-PIr@Si@PDA），以减轻肿瘤的缺氧并增强放/化疗治疗鼻咽癌的方法。该纳米系统以聚乳酸乙醇酸（PLGA）为核心，同时负载氧气载体的全氟化辛基溴（PFOB）和氧气敏感探针Ir(III)配合物，接着利用超薄的二氧化硅壳层进行包裹。然后，将聚多巴胺（PDA）涂覆在该纳米系统的表面上以实现光热转化。此外，将多肽（Arg-Gly-Asp，RGD）与PDA连接以实现O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的肿瘤靶向功能。由于存在二氧化硅壳层，使得O₂-PIr@Si@PDA纳米系统可以长时间（>7 d）存储氧气。在NIR照照下，溶解在PFOB中的氧气会随着硅壳层的温度响应性破裂而迅速释放。其中，Ir(III)配合物可以自发光来监测O₂-PIr@Si@PDA纳米系统中的氧气存储和释放。此外，将O₂-PIr@Si@PDA纳米系统与NIR和X射线照射相结合，不仅可以通过激活蛋白53（p53）介导的凋亡来抑制肿瘤的生长，而且还可以通过减轻肿瘤的缺氧来提高放疗的效率。总之，该研究提出了一种通过使用长期储存氧气纳米系统来改善精确癌症治疗的新策略。研究成果以题为“Long-Term Oxygen Storage Nanosystem for Near-Infrared Light-Triggered Oxygen Supplies to Antagonize Hypoxia-Induced Therapeutic Resistance in Nasopharyngeal Carcinoma”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、长时间储存氧气的纳米系统的结构及其作用原理示意图

图二、O₂-PIr@Si@PDA的合成与表征
（A）O₂-PIr@Si@PDA的合成过程示意图；

（B）O₂-PIr@Si的TEM图；

（C）O₂-PIr@Si的HTEM图；

（D）O₂-PIr@Si的EDS元素映射图；

（E）O₂-PIr@Si@PDA的TEM图；

（F）O₂-PIr@Si和O₂-PIr@Si@PDA的照片；

（G）O₂-PIr@Si@PDA的FTIR光谱；

（H）Ir(III)配合物O₂-PIr@Si和O₂-PIr@Si@PDA的XPS光谱；

（I）不同浓度的O₂-PIr@Si@PDA的紫外光谱；

（J）在808 nm激光下，不同浓度的O₂-PIr@Si@PDA的温度变化；

（K）在808 nm激光下，O₂-PIr@Si@PDA的热稳定性图；

（L）在808 nm激光下，PBS和O₂-PIr@Si@PDA随时间变化的温度变化图像。

图三、O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的氧气存储和释放能力
（A）储存氧气的O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的示意图；

（B）O₂-PIr@Si@PDA纳米系统负载氧气的量；

（C-D）在24 h和14 d内，O₂-PIr@Si@PDA纳米系统中O2保留率；

（E）有无808 nm激光，O₂-PIr@Si@PDA和PIr@Si@PDA纳米系统的发射光谱；

（F）在NIR激光下，从O₂-PIr@Si@PDA纳米系统释放氧气，以及在照射前后插入O₂-PIr@Si@PDA纳米系统溶液；

（G）在体外激光照射前后，对水和O₂-PIr@Si@PDA纳米系统溶液进行超声检查；

（H）O₂-PIr@Si@PDA在不同温度下的发射光谱；

（I）O₂-PIr@Si@PDA纳米系统在不同温度下的发光图像；

（J）在不同温度下从O₂-PIr@Si@PDA纳米系统释放的氧气；

（K）O₂-PIr@Si@PDA纳米系统在不同温度下的TEM图像。

图四、O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的体外抗癌效果
（A）O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的抗癌作用示意图；

（B）在缺氧或正常条件下，用O₂-PIr@Si@PDA和激光处理的CNE-2细胞的发光图像；

（C）用不同浓度的O₂-PIr@Si@PDA处理的HS578Bst和NP69细胞的细胞存活率；

（D）在激光和放射疗法照射下，O₂-PIr@Si@PDA纳米系统处理的CNE-2细胞的细胞存活率；

（E）X射线和O₂-PIr@Si@PDA对CNE-2细胞的协同抑制作用的等效线分析法；

（F）用不同处理方法处理的CNE-2细胞的集落形成；

（G-H）用O₂-PIr@Si@PDA、激光和X射线处理的CNE-2细胞中产生的ROS和¹O₂；

（I）在120 min的不同处理下，CNE-2细胞中过量产生ROS和¹O₂的荧光图像。

图五、O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的氧气存储和联合疗法在体内抗癌效果
（A）在O₂-PIr@Si@PDA纳米系统中长期储存氧气和体内激光处理下的氧气释放的示意图；

（B）在给药12 h后，在808 nm激光下对来自CNE-2荷瘤裸鼠的肿瘤区域的光热图像；

（C）小鼠的NIRFI以验证O₂-PIr@Si@PDA在体内的氧气存储时间；

（D）不同处理下，裸鼠肿瘤部位的PA图像；

（E）缺氧探针染色的肿瘤切片的代表性免疫荧光图像；

（F）每组中肿瘤的R2*作图的代表性图像；

（G）整个肿瘤的R2*值的变化；

（H）给药1 d后，在激光照射下的R2*值；

（I）中心瘤的R2*值的变化。

图六、O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的体内抗癌效果
（A）O₂-PIr@Si@PDA结合激光和X射线抑制CNE-2肿瘤生长的示意图；

（B）在静脉内注射ICG标记的O₂-PIr@Si@PDA后，在特定时间点的荷瘤裸鼠的NIRFI；

（C）在静脉内注射O₂-PIr@Si@PDA后的不同时间点，体内肿瘤部位的O₂-PIr@Si@PDA的光声图像；

（D）在21 d的治疗期间，肿瘤体积的变化指数；

（E）在第21 d时，肿瘤体积的变化指数；

（F）治疗21 d后，不同组的肿瘤重量；

（G-H）不同治疗后，肿瘤区域HIF1-α和TNF-α表达的免疫荧光分析；

（I）治疗21 d后，来自不同组的小鼠的H＆E染色的肿瘤。

图七、O₂-PIr@Si@PDA结合激光和X射线引起的肿瘤生长抑制作用机理
（A）在21 d的治疗期间，每组的小鼠的MRI T2加权图像；

（B）在第21 d，每组小鼠的ADC图像缓慢；

（C）处理21 d后，不同组的TUNEL染色的肿瘤切片的荧光图像；

（D）治疗21 d后，肿瘤中p53和VEGFR表达的免疫组织化学分析；

（E）在第21 d对每组小鼠的缓慢ADC进行定量分析；

（F）TUNEL的荧光定量分析。

其中，G1：盐水；G2：X射线；G3：Ir(III)配合物；G4：O₂-PIr@Si@PDA；G5：激光；G6：O₂-PIr@Si@PDA+激光；G7：O₂-PIr@Si@PD+激光+X射线。

图八、O₂-PIr@Si@PDA纳米系统的生物安全性评估
（A）在21 d的治疗中，每组小鼠的体重变化图；

（B）不同治疗后，各组中CNE-2荷瘤小鼠的存活时间图；

（C）在21 d时用不同处理的小鼠的心脏、肝、脾、肺和肾的H＆E染色；

（D-E）在21 d接受不同治疗的小鼠肾脏和肝脏的相关血液生化分析。

【小结】

综上所述，作者设计了一种O₂-PIr@Si@PDA纳米系统，该系统可以长时间的存储氧气，并且可以在NIR激光辐照下释放氧气以缓解缺氧现象。该纳米系统利用PFOB核心作为氧气载体，首先使用对氧气敏感的Ir(III)配合物进行功能化，然后利用超薄壁的二氧化硅壳层封闭，同时应用PDA涂层实现光热转化。该纳米系统具有以下优点：（1）由于存在二氧化硅壳层，O₂-PIr@Si@PDA中的氧气可以存储7天以上；（2）在NIR激光辐照下，温度响应性的二氧化硅壳层破裂，氧气可以迅速从O₂-PIr@Si@PDA纳米系统中释放出来；（3）与此同时，O₂-PIr@Si@PDA纳米系统可以通过具有发光效应的Ir(III)配合物实现自我监测氧气的释放；（4）O₂-PIr@Si@PDA可以通过激发时释放肿瘤区域内的O₂来缓解肿瘤缺氧。当O₂-PIr@Si@PDA结合NIR和X射线辐照治疗时，显示出强大的抗肿瘤能力，可能是因为PDA在NIR激光辐照下诱导的高热协同作用，从而触发PFOB肿胀，二氧化硅壳层破裂，O₂释放到肿瘤区域，从而增强放射疗法的治疗效果，最终导致产生抑制CNE-2肿瘤生长的多米诺骨牌效应。总之，该研究提供了一个长期的储存氧气的纳米系统，该系统可以在NIR激光下快速供应氧气以缓解肿瘤缺氧，从而治疗缺氧诱导的鼻咽癌。

文献链接：Long-Term Oxygen Storage Nanosystem for Near-Infrared Light-Triggered Oxygen Supplies to Antagonize Hypoxia-Induced Therapeutic Resistance in Nasopharyngeal Carcinoma（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002369）

本文由CQR编译。

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