深圳大学黄鹏团队《ACS Nano》：整合多种疗法可智能释药的仿生矿化纳米粒-在肿瘤部位实现诊疗一体化

作者|综合 来源|高分子科学前沿（ID：Polymer-science）

背景介绍

自1971年哈佛大学佛克曼教授首次提出切断肿瘤血管、饿死癌细胞理论，引起广大研究者关注和探索，逐渐形成了肿瘤饥饿疗法。该方法通过破坏肿瘤血管导致肿瘤细胞营养物质摄入受阻，或者大量消耗肿瘤内的营养物质，实现肿瘤细胞因能量耗竭而死。2016年中国华东师范大学步文博教授课题组提出了 “化学动力学疗法”（Chemodynamic Therapy，CDT）的新概念。肿瘤微环境具有弱酸，含有过量的GSH和H2O2的特点，引入金属离子如Fe2+,和Cu2+,Mn2+等还原性金属离子进行芬顿反应或类芬顿反应，消耗H2O2生成对肿瘤杀伤性很强的羟基自由基（·OH）。葡萄糖氧化酶（GOx）可以高效特异的催化β-D-葡萄糖新形成葡萄糖酸和过氧化氢(H2O2)，在消耗葡萄糖的的同时，为肿瘤的化学动力疗法提供了H2O2这一底物，将饥饿疗法和化学动力治疗有机整合，所以在肿瘤治疗中GOx成为“明星”分子。但是该酶不稳定，已经报道的含酶材料制备过程复杂，且存在安全性隐患，对应用和临床转化而言，十分受限。通过天然的生物矿化过程形成的磷酸钙复合物，具有很好的生物相容性和可降解性。并且由于其在中性环境中稳定，酸性环境中解离，磷酸钙可作为一种响应pH的递送载体。

基于以上背景，深圳大学的黄鹏课题组通过原位仿生矿化的方法，把Ca2+， Mn2+引入GOx中，对酶进行原位矿化，增强该酶的稳定性，并且包载盐酸阿霉素（DOX），最终形成了GOx-MnCaP-DOX纳米复合物。当磷酸钙对肿瘤微环境的低pH进行响应时，Mn2+和DOX可释放出来。Mn2+一方面催化H2O2生成·OH进行CDT。另一方面由于Mn2+具顺磁性，可进行核磁共振（MRI）成像，实现诊疗一体化。GOx-MnCaP-DOX整合饥饿疗法和化学动力疗法，化学疗法于一体，抗肿瘤效果优异。

GOx-MnCaP-DOX治疗和成像的过程示意图。

该成果以名为“Biodegradable Manganese-Doped Calcium Phosphate Nanotheranostics for Traceable Cascade Reaction-Enhanced Anti-Tumor Therapy”发表在《ACS nano》杂志上。

图文解析

图1.a. 该复合物的形貌是球形纳米粒子。b.含有C，N，O，Mn，Ga，P元素。c. 粒径约192nm（含水化层）。d.纳米复合物的傅里叶红外波谱（FTIR）含有CaP和GOx的特征峰。e. 含水量16.21%，有机物含量18.69%。f. 随着葡萄糖浓度的增加， GOx-MnCaP中的 GOx的催化葡萄糖生成H2O2的能力几乎与游离的GOx保持一致。g. 而且二者PH下降程度几乎相同。h. GOx的活性可以保持10天之久。

解析： GOx-MnCaP-DOX纳米复合物是由GOx和CaP，Mn球形纳米粒子。而且显示复合物FTIR锋形与任意单独物质不完全一致，表明CaP和GOx发生了相互作用。矿化的GOx的酶活几乎不受影响，且活性可维持10天之久。

图2.a. GOx-MnCaP纳米复合物在H2O2存在下，可产生使MB降解的·OH。b. 随着时间的延长，MB的吸收逐渐下降直至消失。c. 单独的GOx-MnCaP纳米复合物或葡萄糖均不能产生使MB降解。但是当二者共存于一个体系内，MB的吸收明显下降。d. 在1h内，GOx-MnCaP和H2O2体系中MB降解最快，但是1h之后体系含有GOx-MnCaP，H2O2和葡萄糖的体系MB降解速率明显增大。e. pH是7.4时，GOx-MnCaP的r1值是0.37 mM-1s-1，PH是5.0时，GOx-MnCaP的r1值是13.06 mM-1s-1。f. GOx-MnCaP包载DOX之后，在不同pH下的释放。

解析： GOx-MnCaP纳米复合物中的Mn2+催化H2O2进行类芬顿反应，生成的·OH降解MB。需要注意的是，不加入H2O2，加入葡萄糖，MB吸收也有明显下降，说明GOx-MnCaP中的酶首先催化葡萄糖生成H2O2，再由Mn2+催化H2O2产生可降解MB的·OH。即GOx-MnCaP纳米复合物具有诱导级联反应的功能。

图4a. 在小鼠肿瘤原位注射GOx-MnCaP后，随时间变化MRI成像结果。b. 不同时间点GOx-MnCaP的T/N对比度。

解析：GOx-MnCaP因在肿瘤微环境中受pH的影响，随时间延长可降解，释放出Mn2+进行MRI成像。肿瘤部位和正常组织部位的对比度先升后降，反映出GOx-MnCaP先解离，然后被小鼠代谢，具有生物可降解性。

图3a. GOx-MnCaP杀细胞的能力。b. GOx-MnCaP包载DOX之后，杀细胞的能力高于GOx-MnCaP。c. CA染活细胞，PI染死细胞，GOx-MnCaP-DOX组死亡细胞最多。

解析：GOx-MnCaP杀细胞的能力具有浓度依赖性，随着葡萄糖浓度的增加，和该复合物浓度的增加而增加。包载DOX后，体现出更强的杀伤能力。

图5a. 不同组小鼠肿瘤的体积。b.不同组小鼠肿瘤的照片。c. 不同组小鼠的体重。d. 不同组肿瘤组织的HE染色。e. GOx-MnCaP-DOX的使用后，进行血液生化分析。

解析：GOx-MnCaP-DOX的使用可明显抑制小鼠肿瘤的生长，并且从小鼠体重和多项血液指标分析，GOx-MnCaP-DOX几乎没有毒副作用。

总结

该课题组通过生物仿生矿化的方法，在GOx原位进行矿化，形成GOx-MnCaP复合物，增强GOx稳定性的同时，引入Ca2+和Mn2+。CaP具有pH响应性，复合物包载DOX后，在肿瘤微酸环境中可智能释药。GOx消耗肿瘤内的葡萄糖，形成葡萄糖酸和H2O2。弱酸环境H2O2和Mn2+进行类芬顿反应。产生对肿瘤细胞杀伤性极强的·OH。葡萄糖酸使肿瘤微环境pH进一步降低，可加速类芬顿反应的进行。这一过程整合化学药物疗法，肿瘤饥饿疗法和化学动力疗法，抑瘤效果优异。并且Mn2+本身具顺磁性，可进行MRI成像。在肿瘤部位实现诊疗一体化。由于GOx-MnCaP-DOX的制备方法简便，生物相容性高，体内可降解，低毒，所以GOx-MnCaP-DOX具有很大的临床转化潜能。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05836

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿（ID：Polymer-science）