王丽丽＆林君Chem. Eng. J.：线粒体靶向的黑色素@mSiO2蛋黄壳结构用于近红外二区驱动的光热-热动力/免疫治疗

【引言】

基于近红外激光照射的光热疗法(PTT)由于其无创、无有害副作用、适用性广，在癌症治疗中具有广阔的应用前景。与传统的NIR- I光学窗口(650-950 nm)相比，近红外二区(NIR-Ⅱ)生物窗口(1000-1700 nm)允许更深的组织穿透深度，更低的信噪比，更高的最大允许曝光。天然黑色素在近红外区具有良好的吸收和较高的光热转换效率，在生物医学和纳米技术领域显示出很大的前景。然而，光线穿透受限可能导致肿瘤消除不完全，特别是激光照射区域边缘残留的肿瘤细胞，导致肿瘤复发并向远处器官转移。近年来，包括检查点阻断治疗、细胞因子治疗以及单克隆抗体治疗在内的多种免疫治疗方法在临床研究中被用于探索治疗癌转移性。然而，大多数癌症本身具有免疫抑制性，很难通过目前的免疫疗法加以控制。因此，结合光热治疗等局部疗法，可以巧妙地克服免疫疗法的局限性，最大限度地发挥两种治疗方式的优点，既能激活免疫系统，实现对癌症的长期免疫，增加整体治疗的选择性。

基于以上研究背景，近日，青岛农业大学王丽丽教授和中科院长春应化所林君教授团队通过差速离心法提取均匀的墨鱼囊黑色素，在正硅酸四乙酯(TEOS)和十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)存在下，以均三甲苯作为扩孔剂，从而合成了mSiO₂包覆黑色素的蛋黄壳纳米结构(MS)；并在SiO₂壳层接枝上-NH₂后，(3-羧基丙基)三苯基溴化磷(CTPP)与-NH₂共价键合，得到CTPP改性的纳米颗粒；最后，将AIPH加载到MS-CTPP的大介孔中，构建AIPH@MS-CTPP纳米结构 (图1)。

该平台具有以下优点：1) SiO₂和天然黑色素纳米颗粒均具有良好的生物相容性和生物安全性；2) SiO₂壳内接枝的(3-羧基丙基)三苯基溴化膦(CTPP)赋予MS线粒体靶向性；3) 大介孔可显著增加AIPH的负荷量，进而促进烷基自由基的生成，杀伤肿瘤细胞；4) NIR-Ⅱ介导的PTT和TDT具有较高的最大允许辐照和组织穿透深度；5) 天然黑色素纳米颗粒能使M2 表型巨噬细胞复极化成抗肿瘤M1表型，诱导PTT和二氧化硅双介导的抗肿瘤免疫反应；6)在1064 nm近红外二区激光照射下，通过黑色素的光热转化，实现了光热治疗和热动力治疗的协同治疗，也实现了光热治疗和二氧化硅介导的免疫增强作用。

该成果以“Mitochondrial Targeted Melanin@mSiO₂ Yolk-shell Nanostructures for NIR-Ⅱ-driven Photo-Thermal-Dynamic/Immunotherapy”为题，发表于国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》(文章DOI：10.1016/j.cej.2022.134869)。青岛农业大学为该论文第一完成单位，中科院长春应化所、山东大学和山东第一医科大学青岛附属医院为合作单位。张宇同学和王琦同学为该论文的共同第一作者，王丽丽教授、林君教授、丁彬彬特别研究助理为共同通讯，纪奕顺主治医师和范丽媛博士为论文的合作者。该项研究工作获得国家自然科学基金、中澳政府科技合作项目、博士后创新人才支持计划以及青岛农业大学高层次人才基金等项目的资助。

【图文详情】

示意图1：AIPH@MS-CTPP及其协同PTT、TDT和免疫疗法抑制肿瘤生长的示意图

图1 AIPH@MS-CTPP纳米颗粒的表征

a-d) 黑色素、MS、MS-CTPP和AIPH@MS-CTPP的TEM图像

e-h) 黑色素、MS、MS-CTPP和AIPH@MS-CTPP的SEM图像

i-l) AIPH@MS-CTPP中C、N、Si、O、Cl和P的元素映射图、HADDF-STEM图、线扫描轮廓和XPS光谱

m) 黑色素和MS的氮气吸附-解吸等温线

n) 黑色素、MS和AIPH@MS-CTPP的DLS分布图

o) 黑色素、MS、MS-NH₂和AIPH@MS-CTPP纳米颗粒的Zeta电位

图2 AIPH@MS-CTPP的XPS和光热转换性能表征

a-f) AIPH@MS-CTPP中Si 2p, O 1s, C 1s, N 1s, Cl 2p, P 2p的XPS谱

g) MS水溶液(1 mg·ml^-1)的紫外-可见光谱

h) 黑色素和MS (1 mg·ml^-1)的温度曲线

i)不同浓度的MS在1064 nm激光照射下的温度曲线

j, k) MS随辐照温度变化8min，然后关闭激光的温度变化曲线以及冷却时间与负自然对数的关系图

l) MS纳米颗粒的循环加热曲线

以上所用激光辐照功率均为1.0 W·cm^-2

图3 体外联合治疗效果

a) PTT/TDT流程示意图(AIPH@MS-CTPP)

b, c) AIPH@MS-CTPP溶液中POBN的ESR光谱以及ESR峰值随辐照时间的变化曲线

d) CLSM图像显示AIPH@MS/Ce6和AIPH@MS-CTPP/Ce6孵育4 h后的亚细胞定位

e)不同浓度的黑色素、MS、MS-CTPP和AIPH@MS-CTPP在黑暗条件下处理4T1细胞的相对存活率

f)不同浓度的黑色素、MS、MS- CTPP或AIPH@MS-CTPP处理12 h后，1064 nm激光照射4T1细胞的相对存活率

g)不同分组4T1细胞自由基检测(标尺为250 μm)

h)不同组calcein AM(绿色)和PI(红色)染色的4T1细胞的CLSM成像

i)不同处理的4T1细胞凋亡检测

以上使用照射激光:1064 nm, 1.0 W·cm^{- 2}, 5 min

图4 不同纳米颗粒的体内治疗评价

a) 体内实验的处理过程

b)1064 nm激光照射荷瘤小鼠的近红外热像图

c)治疗过程中4T1荷瘤小鼠的照片

d, e)第9天不同治疗后的原发和远端肿瘤的电子照片

f, g) 治疗后小鼠原发和远端肿瘤重量

h, i)各组小鼠第9天的原发肿瘤和远端肿瘤相对体积曲线

j, k) Western blot和Caspase-3在原发和远端肿瘤中不同处理的相对蛋白表达

l, m)原发和远端肿瘤切片H&E和TUNEL染色图像；比例尺= 50 μm

以上分组为 Ⅰ: PBS + α-PD-1 +激光、Ⅱ:黑色素+激光、Ⅲ:MS +激光、Ⅳ:AIPH@MS +激光、Ⅴ:AIPH@MS-CTPP +激光、Ⅵ:AIPH@MS-CTPP + α-PD-1 +激光。(1064 nm激光，1.0 W·cm^-2) 

图5 小鼠体内免疫治疗

a-c) ELISA检测TNF-α，b) IFN-γ，c) IL-12蛋白的含量

d) 不同治疗后远端肿瘤中CD4⁺、CD8⁺T细胞浸润及Foxp-3 Treg细胞、CD86、CD206的代表性免疫荧光图像。比例尺:50 μm

以上分组为：Ⅰ: PBS + α-PD-1 +激光、Ⅱ: 黑色素+激光、Ⅲ: MS +激光、Ⅳ: AIPH@MS +激光、Ⅴ: AIPH@MS-CTPP +激光、Ⅵ: AIPH@MS-CTPP + α-PD-1 +激光。(1064 nm激光，1.0 W·cm^-2)

图6 小鼠正常器官的H＆E染色

荷瘤4T1小鼠不同处理后脏器组织(心、肝、脾、肺、肾)的H&E染色(标尺:50 μm)。

以上分组为 Ⅰ: PBS + α-PD-1 +激光、Ⅱ: 黑色素+激光、Ⅲ: MS +激光、Ⅳ: AIPH@MS +激光、Ⅴ: AIPH@MS-CTPP +激光、Ⅵ: AIPH@MS-CTPP + α-PD-1 +激光 (1064 nm激光，1.0 W·cm^-2)

【小结】

本文通过提取直径为100 nm左右的天然墨鱼囊黑色素，后用大介孔SiO₂包被，CTPP修饰后负载AIPH，形成了AIPH@MS-CTPP纳米颗粒。在1064 nm的激光照射下，AIPH@MS-CTPP纳米颗粒表现出出色的光热性质，产生热量使AIPH热分解产生烷基自由基，用于原位实体瘤的治疗。将PTT、TDT与α-PD-1治疗等多种治疗手段联合，通过体外激光照射，体内注射免疫检查点阻断剂的方式，来达到杀灭原位肿瘤，抑制远端肿瘤的目的。此外，基于天然黑色素和介孔SiO₂都具有良好的生物安全性，因此我们得到的AIPH-MS@CTPP纳米颗粒具有很好的临床治疗前景。

其他相关工作

(1) NIR-Driven Water Splitting H₂ Production Nanoplatform for H₂-Mediated Cascade-Amplifying Synergetic Cancer Therapy  (ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 23677-23688, DOI: 10.1021/acsami.0c03852)

(2) A Three-in-one ZIFs-Derived CuCo(O)/GOx@PCNs Hybrid Cascade Nanozyme for Immunotherapy/Enhanced Starvation/Photothermal Therapy (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 10.1021/acsami.1c01006)

(3) A multimodal strategy of Fe₃O₄@ZIF-8/GOx@MnO₂ hybrid nanozyme via TME modulation for tumor therapy (Nanoscale, 2021, DOI: 10.1039/d1nr04196g)