【研究背景】

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)下屬的國際癌癥研究機構(IARC)最新公布的2020年全球癌癥負擔數(shù)據(jù)顯示，癌癥仍然是全世界死亡的主要原因。現(xiàn)代納米技術、光學、生物學和醫(yī)學的結合提供了抗擊癌癥的新方法。雖然多模式治療對腫瘤細胞有殺傷作用，但由于腫瘤微環(huán)境(TME)固有的生理屏障，如缺氧、過氧化氫(H2O2)和谷胱甘肽(GSH)過表達等，其療效仍受到限制。

【成果介紹】

為此，湖北大學徐祖順教授團隊基于前期研究的見解，采用一種溫和的方法制備了納米級GBD-Fe，該納米粒子可用于MRI監(jiān)測和預后評估，在TME中提供選擇性反應，并將診斷和化學動力治療/化療/光熱治療(CDT/CT/PTT)治療相結合。這種三管齊下的治療機制可以通過互補結合的方式解決療效問題。首先，F(xiàn)e3+引導的CDT由自身消耗的GSH啟動。第二，CT上調NOX4表達，促進H2O2生成，增強CDT作用。第三，DOX下調Bcl-2表達，降低GSH水平，進一步消除CDT耐藥性。第四，PTT產生的熱量可以改變細胞膜的通透性，從而增加腫瘤對CT的敏感性，增強CT的效果。需要指出的是，將磁共振成像（MRI）與治療相結合，可提供有效的治療和良好的預后，實時監(jiān)測治療進展。

首先，該團隊采用無種子法成功合成了光熱劑金納米棒(GNRs)，并引入牛血清白蛋白(BSA)作為橋接劑，使其能夠有效地負載DOX與Fe3+的絡合物(DOX-Fe3+)，從而得到形貌為規(guī)則球形的納米級GBD-Fe。（圖1）

接著，對GBD-Fe的光熱特性，熱穩(wěn)定性及類芬頓活性進行了驗證，這為納米粒子在細胞和體內的進一步應用奠定了基礎。（圖2）

緊接著，進行GBD-Fe的相關細胞試驗。在細胞攝取實驗中，GBD-Fe在細胞中積累的熒光隨時間增加，表明細胞對GBD-Fe的攝取有時間依賴性。由細胞毒性試驗可知，多因素治療效果明顯優(yōu)于單因素治療效果。同樣地，在驗證GBD-Fe的ROS生成實驗中，經(jīng)多因素治療的細胞中有更強的ROS生成能力。細胞的活死染實驗可以直觀地看出GBD-Fe的多因素治療對癌細胞有更大的殺傷作用。細胞凋亡實驗進一步證明了GBD-Fe的三管齊下協(xié)同治療機制可以有效增強抗腫瘤作用。免疫蛋白印跡實驗明確了GBD-Fe對腫瘤細胞蛋白的調節(jié)作用。（圖3-4）

然后，體內MRI實驗表明GBD-Fe是一種優(yōu)秀的MRI造影劑，循環(huán)24h后可在腫瘤處有效積累，為后續(xù)的體內治療提供指導和預后評估。（圖5）

最后，體內動物實驗表明，通過尾靜脈注射給藥，GBD-Fe經(jīng)血液循環(huán)后能有效在腫瘤組織中累積。與設計預期一致，所有結果表明GBD-Fe的三管齊下協(xié)同治療機制可以通過互補結合的方式有效地誘導腫瘤細胞毒性，抑制腫瘤生長。因此，我們認為GBD-Fe代表了一種潛在的腫瘤治療策略，將為腫瘤的多因素協(xié)同治療提供一個新的視角。（圖6）

原理圖?GBD-Fe合成方案及互補治療原理圖

圖1 (A) GNRs和?(B) GBD-Fe的透射電鏡圖像。GNRs、GNR@BSA、DOX Fe和GBD-Fe的?(C)?紫外可見光譜(歸一化)和?(D) zeta電位。(E) GBD-Fe的Fe2p XPS光譜(a.u.;?arbitrary units)。(F) GBD-Fe在細胞培養(yǎng)基中孵育10天的大小分布分析。(G)pH為5.5和7.4時，GBD-Fe中DOX-Fe3+的釋放曲線。(H)GSH和GSSG的FT-IR譜圖。(I)?在Fe3+是否存在時1,10-鄰菲咯啉的紫外可見光譜圖(歸一化)。

圖2 (A)?在NIR激光輻照下GBD-Fe的IR圖像。(B) GBD-Fe的熱循環(huán)曲線。(C) GBD-Fe熱循環(huán)前后的紫外吸收曲線(歸一化)。(D)基質在不同條件下的過氧化情況。(E)GBD-Fe濃度對TMB過氧化作用的影響。(F)當pH 4.0、5.5、6.5和7.4時GBD-Fe與TA反應產生高熒光HA。(G) GBD-Fe在pH值為4.0、5.5和7.4時H2O2的消耗。(H) DTNB與GSH (0、25、37.5、50、62.5、75、87.5 μM)反應。(I)在反應24 h后GBD-Fe對GSH (0、20、40、60、80和100 μg/mL)的消耗。

圖3。(A)在2、4或6 H時4T1細胞對GBD-Fe的攝取情況。Scale bar, 20 μm. (B)不同處理組產生的ROS熒光圖像。Scalebar, 50 μm. (C) 808 nm激光處理和(D)不處理時4T1細胞的存活率。(E) PBS、Laser、B-Fe3+、GBD、GBD + Laser、GBD- Fe、GBD-Fe + Laser處理后4T1細胞的雙染熒光圖像。Scale bar, 200 μm.

圖4 (A) 4T1細胞與PBS、GBD-Fe和GBD-Fe + Laser處理6 h后的凋亡水平。?(B)?免疫印跡檢測?4T1細胞分別被PBS,DOX, DOX?Fe和GBD-Fe共孵育24 h后NOX4, BID和Bcl-2蛋白的表達水平。通過免疫印跡結果定量分析?(C)NOX4，(D)BID和?(E)Bcl-2的表達水平。* p< 0.05, ** p < 0.01，和***p < 0.001。(F)納米制劑誘導4T1細胞死亡的凋亡機制。

圖5 (A)不同F(xiàn)e3+濃度的GBD-Fe在不同條件下體外MRI。(B)攜帶4T1細胞的小鼠體內T1加權MR圖像和(C)在預定時間點的相對信號強度。** p< 0.01; *** p < 0.001。

圖6 (A)?給藥后48 h內GBD-Fe的血液循環(huán)曲線和?(B)?給藥后24和48 h GBD-Fe在4只T1荷瘤小鼠體內的生物分布。(C) GBD-Fe處理的4T1荷瘤小鼠注射后不同時間點的NIR激光照射引起的溫度變化。(D)GBD-Fe + Laser治療小鼠在預定時間點的IR圖像。(E)?取出PBS、GBD、GBD- Fe、GBD- Fe + Laser治療14天后的腫瘤組織進行比較。(F)?治療14天后腫瘤組織的最終重量。** p <0.01;*** p < 0.001。(G)?不同治療后腫瘤體積隨時間的變化。*** p < 0.001。(H) 14天治療期間相對體重的變化。(I)?各種治療后60 d生存率(N = 5 females/group)。(J) H&E和TUNEL染色后腫瘤組織的組織病理學評價。Scale bar, 200 μm.

綜上所示，以GNRs為光熱劑(BSA改性)，DOX-Fe3+絡合物為CT和CDT的結構域，合成了納米級GBD-Fe。GBD-Fe具有MR顯像和聯(lián)合治療功能，可實現(xiàn)診斷與治療的一體化。納米制劑在TME中積累，DOX-Fe3+的絡合保護了Fe3+免受氧化應激，防止藥物過早釋放，優(yōu)化治療活性?；熕幬顳OX誘導NOX4蛋白表達產生H2O2，并與Fe3+發(fā)生氧化還原反應，增強CDT的作用，改善GNRs的光熱性能。這種CT/CDT/PTT三管齊下的方法有效地誘導了腫瘤細胞的細胞毒性，抑制了荷瘤小鼠的腫瘤生長，因此，GBD-Fe的互補性治療代表了一種潛在的腫瘤治療策略，在診療一體化方面具有良好的應用前景。

湖北大學博士生莫智敏、華中科技大學同濟醫(yī)學院博士生李秋婷為論文共同第一作者，徐祖順教授（湖北大學）、汪晶教授（華中科技大學同濟醫(yī)學院）、廖光福教授（中國地質大學（武漢））和楊盛力教授（華中科技大學同濟醫(yī)學院）為該文章的共同通訊作者。

【作者簡介】

徐祖順，博士生導師、教授，主要從事功能性聚合物乳液、聚合物納米微球、樹狀大分子、嵌段及接枝共聚物、耐高溫高分子材料、生物醫(yī)用材料、環(huán)境友好型膠粘劑、涂料、微波輻射分散聚合、微球自組裝等方面的研究工作。

廖光福，研究員/教授，于2020年6月獲得中山大學材料物理與化學專業(yè)的博士學位。之后于香港中文大學機械與自動化工程系從事副研究員，于2021年8月在中國地質大學擔任研究員職位。他的研究主要包括聚合物合成與應用、氧化還原流電池、納米結構材料、光電催化、生物材料、氣體儲存和能量轉換等。至今已經(jīng)在Progressin Materials Science、Energy & Environmental Science、Trends in Chemistry、ACS Catalysis、Nano Energy、Macromolecules、Small、Journal of Materials ChemistryA、Journalof Catalysis、ChemicalEngineering Journal、Nano Reseach?等國際著名刊物發(fā)表?SCI?論文50余篇，授權專利?10?篇。論文引用?1827次，H-index24。并長期擔任ACSNano、Macromolecules、Applied Catalysis B:Environmental、ACSApplied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal、The Journal of PhysicalChemistry C等國際著名期刊審稿人。具體可參照以下鏈接http://hmyang.cug.edu.cn/index/index/details/?id=247或者http://orcid.org/0000-0003-1299-8106。

【文章信息】

Mo Z., Li Q., Zhao K.et al.?ANanoarchitectonic Approach Enables Triple Modal Synergistic Therapies ToEnhance Antitumor Effects.?

ACS Applied Materials & Interfaces,2022.?

https://doi.org/10.1021/acsami.1c20416