光动力学疗法(PDT)是光敏剂(PS)与相应波长的光作用发生光动力反应,产生活性氧(ROS),从而杀死肿瘤细胞的治疗方法。其具有创伤小、毒副作用小、选择性好、可重复性好等优点。然而,由于传统PS固有的聚集猝灭效应(ACQ)、体内肿瘤缺氧微环境和内在的抗氧化性等因素的影响,导致目前的临床PDT实际效率比较低下。目前,大多数广泛使用的PSs(如卟啉衍生物)都会在水中发生聚集,出现荧光猝灭和减少生成ROS现象都会对降低PDT的实际疗效。因此,非常有必要开发出具有聚集态的高荧光和高光毒性的新型PSs。此外,肿瘤微环境(TME)中缺氧不利于ROS的生成,也会降低PDT效率。虽然通过MnO2、纳米级金属有机骨架(MOFs)等可以提高O2浓度,以增强PDT的作用,但是仅增加O2浓度还不够,因为被激活的癌细胞内存在的抗氧化物质(如GSH)会消耗掉氧气。在PDT治疗后,癌细胞过表达B细胞淋巴瘤2(Bcl-2)来响应PDT,Bcl-2产生更高的GSH细胞浓度,从而将细胞内的氧化还原电位变为更弱的状态。当GSH与ROS反应时,就会产生PDT抗性。因此,使用Bcl-2抑制剂会消耗癌细胞内GSH,以促进癌细胞的凋亡。基于此,新加坡国立大学的刘斌教授(通讯作者)团队报道了一种含有AIE PSs的无载体杂化纳米球,以同时解决ACQ、TME缺氧和内在抗氧化性的问题。通过铁离子(Fe3+)、TPEDCC(具有对称二羧酸基团的AIE PSs)和Sabutoclax(具有对称多酚基团的Bcl-2抑制剂)的自组装即可制备该杂化纳米球(图1)。其中,加入的Fe3+离子通过类芬顿(Fenton-like)反应产生单线态氧(1O2)和O2以克服肿瘤微环境的缺氧现象。同时,引入了Sabutoclax,以抑制Bcl-2活性,进而降低肿瘤的内在抗氧化性。通过降低GSH含量,触发细胞色素-c的释放和“铁死亡”(ferroptosis),最终提高PDT的效率。图1、TPEDCC、Sabutoclax的化学结构以及杂化纳米球合成和作用示意图解析:如图2所示,作者以2-((4'-(2,2-双(4-甲氧基苯基)-1-苯基乙烯基)-[1,1'-联苯]-4-基](苯基)亚甲基)丙二腈(TPEDC)为原料,快速的合成了具有对称双羧基的TPEDCC。接着,将TPEDCC(DMSO中为5mg mL-1)和Sabutoclax(DMSO中为5mg mL-1)分别加入到Fe3+离子水溶液中,在85℃下搅拌过夜制备该杂化纳米球。然后,作者对该纳米球进行了理化表征,其结果如图3所示。在超滤后,通过动态光散射(DLS)和透射电子显微镜(TEM)证明该杂化纳米球的粒径为50±2.6 nm(图3A)。通过DLS在不同时间点的水溶液中研究了杂化纳米球的稳定性,发现该杂化纳米球在水溶液中可以稳定存着。利用荧光光谱发现,TPEDCC和杂化纳米球的吸收波长都在660 nm左右,未发生明显变化(图3B)。利用X射线光电子能谱(XPS)测量,发现纳米球中铁离子在711.0 eV处出现特征吸收峰,其是Fe3+(2p3/2,图3C)。此外,高角度环形暗场扫描TEM-能量色散X射线光谱(HAADF-STEM-EDS)元素图谱确认了纳米球中C、N、O和Fe的均匀分布(图3D)。解析:如图4A所示,纳米球分解ABDA信号的效率与自由TPEDCC相当。作者在不同pH的缓冲液中研究了杂化纳米球的体外药物释放行为,以模拟不同的细胞内环境。在中性环境中,药物释放的时间最长,而酸性条件下,超过48%的药物在48 h内即被释放出来(图4B)。因此,在酸性肿瘤微环境有利于裂解弱的超分子相互作用和配位键,可以加速药物的释放。作者以MDA-MB-231乳腺癌细胞为模型,研究了其细胞摄取和体外PDT性能。如图4C所示,将MDA-MB-231细胞与纳米球(10 μM)孵育后,红色荧光随时间增加,表明纳米球可被细胞内吞。在不同制剂处理后,测试了MDA-MB-231和3T3细胞的体外细胞毒性实验。在黑暗中孵育48 h后,纳米球和TPEDCC对两种细胞系的毒性均可以忽略不计,具有良好的生物相容性(图4D)。当用410 nm激光照射细胞时,杂化纳米球对MDA-MB-231细胞的细胞毒性最强,IC50值为4.67±0.02 μM(图4D),但是对正常3T3细胞系基本没有毒性。此外,细胞凋亡试验表明,纳米球在MDA-MB-231细胞中引起最高的凋亡率(61.6%)。通过共聚焦图像显示在激光照射下,纳米球和TPEDCC处理的MDA-MB-231细胞组检测到亮绿色荧光(图4E)。流式细胞仪定量分析表明,杂化纳米球处理的细胞发出最强的绿色荧光,而无激光照射的组仅观察到了非常弱的绿色荧光(图4E)。因此,抑制抗凋亡蛋白Bcl-2可以降低细胞内PDT抵抗力以提高PDT效率。解析:作者进一步对带有MDA-MB-231肿瘤细胞的裸鼠进行体内研究,以评估图像引导的PDT疗效。众所周知,适当尺寸的纳米粒子通常具有被动靶向能力和更长的循环时间。在将纳米球(10 mg kg-1,200 μL)静脉注射到荷瘤小鼠中后(图6A),体内成像显示在肿瘤部位积聚的纳米球信号在4 h达到最大,并保留了该信号长达6 h。通过组织切片分析,发现该纳米球主要作用于肝脏,组织分布图与体内成像结果是一致(图5B)。体内成像结果表明,该杂化纳米球具有良好的肿瘤被动靶向能力,并具有图像引导PDT的巨大潜力。【小结】
综上所述,作者通过协调驱动自组装,将Fe3+、AIE PSs(TPEDCC)和Bcl-2抑制剂(Sabutoclax)整合到单个纳米球体中,制备了无载体的杂化纳米球。在激光照射下,该纳米球表现出高ROS效率的明亮荧光,使其成为图像引导PDT的理想候选物。当肿瘤细胞内吞纳米球后,通过Fe3+的类芬顿反应增加了胞内的O2浓度。此外,沙丁酸杆菌和“铁死亡”信号通路可以减轻TPEDCC的细胞内PDT抗性。体外和体内实验结果表明,多功能杂化纳米球是一种用于图像引导的增强PDT的有前景纳米平台。Hybrid Nanospheres to Overcome Hypoxia and Intrinsic Oxidative Resistance for Enhanced Photodynamic Therapy . ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.9b09032.来源:高分子科学前沿
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