增加ROS生成并减少消耗的策略用于PDT/CDT协同治疗

来源：化学加

原标题：北京科技大学张学记教授团队和董海峰教授团队Nat. Commun.:增加ROS生成并减少消耗的策略用于PDT/CDT协同治疗

导读

北京科技大学张学记教授团队和董海峰教授团队联合设计了一种热响应H2O2/O2自供纳米系统（MSNs@CaO2-ICG）@LA用于PDT/CDT 协同抗肿瘤治疗，克服了PDT/CDT 协同治疗中O2和H2O2供应不足的问题。通过增加ROS生成和减少消耗的策略在体外和体内都可以有效的抑制肿瘤生长。相关成果发表在Nature Communications上。（DOI: 10.1038/s41467-020-15591-4

活性氧（ROS）主要包括超氧阴离子（O2-）、羟基自由基（•OH）、活性单线态氧（1O2），在体内起着重要的信号和调节分子的作用。ROS浓度升高到异常的水平，细胞就会受到损伤。基于ROS介导的PDT/CDT 协同治疗已经取得了较好的抗癌治疗效果，然而肿瘤微环境（TME）中缺氧、消耗H2O2和谷胱甘肽（GSH）对活性氧的消耗作用仍然限制着ROS的治疗功效。目前，有研究将纳米系统用于PDT/CDT 协同治疗，但大多只克服了部分的局限性。

北京科技大学张学记教授团队和董海峰教授团队联合设计了一种H2O2/O2自供纳米系统（MSNs@CaO2-ICG）@LA用于PDT/CDT 协同治疗（Figure 1），其由硅酸锰（MSN）负载过氧化钙（CaO2）和吲哚菁绿（ICG）组成，并在表面上修饰了相变材料月桂酸（LA）（熔点：44~46 ℃）。在808 nm的近红外（NIR）激光照射下，ICG可生成单线态氧（1O2），放热熔化LA。暴露的CaO2与水反应生成O2和H2O2，以提高ICG介导的O2依赖的PDT和基于MSN的H2O2依赖的CDT协同治疗效果。此外，MSNs诱导消耗谷胱甘肽（GSH）可以保护ROS免受清除。这种增加ROS生成和减少消耗的策略在体外和体内都可以有效的抑制肿瘤生长，并显著提高了ROS参与肿瘤治疗的效率。

Figure 1.（MSNs@CaO2-ICG）@LA的制造工艺和治疗机制（图片来源：Nat. Commun.）

作者首先研究了（MSNs@CaO2-ICG）@LA体外生成H2O2/O2的能力。用铜（II）–新铜试剂分光光度法和溶解氧测定仪检测H2O2/O2的产生，在25 ℃时，CaO2立即与水反应而CaO2@LA几乎不反应，说明LA涂层可以防止CaO2预先与水反应。当加热至46 ℃时，H2O2/O2的浓度迅速增加，初步验证了LA的热响应性（Figure 3a and 3b）。用1,3-二苯甲基异苯并呋喃（DPBF）检测1O2的含量，与 MSNs@CaO2-ICG和（MSNs@CaO2-ICG）@LA反应的DPBF的含量较其他组出现明显下降（Figure 3c），即产生1O2的含量较多。电子顺磁共振（EPR）检测•OH的产生，MSNs与GSH的氧化还原反应诱导Mn2+释放，与H2O2发生类似Fenton反应生成活性•OH。在一定范围内，•OH随着GSH浓度的增加而增加，但过量的GSH会清除•OH（Figure 3d）。上述结果验证了（MSNs@CaO2-ICG）@LA能增加ROS的生成。

Figure 2.（MSNs@CaO2-ICG）@LA的表征（图片来源：Nat. Commun.）

Figure 3.（MSNs@CaO2-ICG）@LA体外生成ROS（图片来源：Nat. Commun.）

为了研究（MSNs@CaO2-ICG）@LA在活细胞中能否增强ROS产生（Figure 4e），作者用ROS探针（DCFH-DA，绿色）和缺氧探针检测不同处理的MCF-7细胞，在常氧和缺氧环境下，808 nm激光照射（MSNs@CaO2-ICG）@LA处理的细胞，绿色荧光最强，说明H2O2/O2自供增强了ROS的生成。为了进一步研究（MSNs@CaO2-ICG）@LA 对PDT/CDT协同治疗的增强效果，作者使用MCF-7癌细胞作为模型细胞，检测（MSNs@CaO2-ICG）@LA在常氧和缺氧环境下的抗癌作用（Figure 4f）。结果显示，808 nm激光照射（MSNs@CaO2-ICG）@LA处理的癌细胞大部分被杀死。值得注意的是，在缺氧条件下，（MSNs-ICG）@LA的细胞杀死能力受到明显影响，而（MSNs@CaO2-ICG）@LA由于氧的自供特性几乎无影响。

 Figure 4.（MSNs@CaO2-ICG）@LA的细胞内摄取和ROS生成（图片来源：Nat. Commun.）

作者研究了（MSNs@CaO2-ICG）@LA介导的PDT/CDT协同治疗法用于MCF-7荷瘤小鼠体内的抗肿瘤效果。尾静脉注射小鼠，通过测量Mn2+的浓度揭示了（MSNs@CaO2-ICG）@LA可在血液中长循环（Figure 5a），有利于其有效地积累在肿瘤部位。将MCF-7荷瘤裸鼠分为6组（n = 5），观察不同的治疗方法的抗肿瘤效果。仅用808 nm激光照射对肿瘤的抑制作用不大，MSNs由于发挥了CDT治疗作用显示出微弱的肿瘤抑制效果（Figure 5e and 5f）。808 nm激光照射和（MSNs-ICG）@LA发挥了PDT/CDT协同治疗效果，肿瘤生长明显受到抑制。而808 nm激光照射下，（MSNs@CaO2-ICG）@LA自供H2O2/O2增强了PDT/CDT协同治疗效果，积累了大量的ROS将癌细胞完全消灭（Figure 5g），相应肿瘤切片的H&E和TUNEL染色也显示出最大的肿瘤坏死和凋亡（Figure 5h）。这些结果表明（MSNs@CaO2-ICG）@LA具有良好的抗肿瘤作用，这是PDT/CDT与H2O2/O2自供应相结合的效果。

Figure 5.（MSNs@CaO2-ICG）@LA用于CDT/PDT协同治疗的体内实验结果（图片来源：Nat. Commun.）

总结：北京科技大学张学记教授团队和董海峰教授团队联合设计了一种热响应H2O2/O2自供纳米系统（MSNs@CaO2-ICG）@LA用于PDT/CDT 协同治疗，其由硅酸锰（MSN）负载过氧化钙（CaO2）和吲哚菁绿（ICG）组成，并在表面上修饰了相变材料月桂酸（LA）。808 nm激光照射ICG放热熔化LA，暴露的CaO2与水反应生成O2和H2O2，克服了抗肿瘤PDT/CDT 协同治疗中O2和H2O2供应不足的问题。通过增加ROS生成和减少ROS消耗的策略在体外和体内都可以有效的抑制肿瘤生长，具有良好的肿瘤清除效果。并从多个方面显著提高了ROS参与肿瘤治疗的效率。

撰稿人：桐豆