pH触发的酶驱动纳米马达聚集作用,可提高肿瘤积聚和渗透能力,从而增强铁死亡(ferroptosis)介导的抗癌治疗效果

时间:2026年1月16日
来源:Materials Today Chemistry

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设计pH响应型酶驱动纳米马达M@JAu@PFG-DHA,在生理条件下保持小尺寸增强肿瘤渗透和细胞摄取,酸性肿瘤微环境触发纳米马达聚集,释放Fe²+、H₂O₂和DHA协同增强羟基自由基生成,下调GPX4表达,诱导铁死亡,显著提高非小细胞肺癌化疗效果。

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作者:潘燕楠、谢启婷、王汉晨、林天亮、马雪梅、赵中祥、刘永强、季旭星
教育部岭南中医药资源重点实验室,广州中医药大学药学院,中国广州 510006

摘要

为了解决铁死亡药物在肿瘤中的积累和渗透效果不佳的问题,我们设计了一种由酶驱动、对pH值敏感的纳米马达(M@JAu@PFG-DHA),该纳米马达具有可逆的聚集能力和独特的尺寸变换特性。在生理条件下,纳米马达保持小尺寸以深入肿瘤组织并被细胞摄取。在酸性的肿瘤微环境中,由于MUA分子在pH值触发下形成氢键,纳米马达会聚集形成较大的颗粒,从而增强Fe2+、过氧化氢(H2O2和双氢青蒿素(DHA)的释放。这些成分通过芬顿反应协同产生羟基自由基,导致线粒体功能障碍,降低谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的活性,增加活性氧(ROS)和脂质过氧化,进而诱导非小细胞肺癌(NSCLC)细胞的铁死亡。体内实验证实,这种尺寸可变的纳米马达显著提高了肿瘤积累、组织渗透和抗肿瘤效果。这些效果是通过下调Ki67、溶质转运蛋白家族7成员11(SLC7A11)和GPX4的表达,同时增加4-羟基壬烯醛(4-HNE)的水平来实现的。总体而言,这种纳米马达系统为增强肿瘤内药物递送和ROS生成提供了一种有前景的策略,从而显著改善了化学动力学疗法的治疗效果。

引言

活性氧(ROS)是肿瘤发生、生长、侵袭和转移过程中的关键驱动因素[[1], [2], [3]]。与正常组织不同,癌细胞对肿瘤特有的氧化应激具有显著的适应性。然而,这种微妙的氧化还原平衡可能因过量的ROS产生而被破坏,包括羟基自由基(·OH)、单线态氧(1O2)和过氧化氢(H2O2等)[4,5],导致细胞氧化应激稳态的破坏和随后的功能损伤。利用这一机制,ROS介导的化学动力学疗法(CDT)已成为一种强大的抗癌方法[[6], [7], [8]]。基于铁的纳米颗粒利用金属离子催化芬顿反应,将反应性较低的H2O2转化为高毒性的·OH,从而激活铁死亡并诱导癌细胞死亡,显著提高治疗效果[[9], [10], [11]]。然而,CDT面临几个关键挑战,阻碍了其临床应用,包括治疗剂的递送效率低以及对抗肿瘤细胞的氧化损伤有限。这些限制主要源于肿瘤微环境的不良条件,如H2O2水平不足以及复杂的生物屏障[[12], [13], [14], [15]]。因此,开发结合高效药物递送系统、持续供应H2O2和增强ROS生成的新CDT策略至关重要,以克服这些障碍并改善治疗效果。
近年来,双氢青蒿素(DHA)作为青蒿素的活性衍生物,因其天然丰富、低毒性和显著的H2O2及ROS补充能力而成为CDT中的有希望的候选药物。临床上,DHA因其独特的分子内过氧化物桥结构而广受认可[[16], [17], [18]]。除了抗疟作用外,这一结构特征使DHA在与内源性亚铁离子相互作用时能够生成细胞毒性ROS,暗示了其类似抗疟作用的H2O2补充和抗癌机制。
此外,肿瘤微环境(TME)中升高的间质液压力和密集的细胞外基质导致纳米药物的积累不足[19],这严重限制了CDT的效果。众所周知,纳米药物的尺寸对其药代动力学行为至关重要,包括血液循环时间、肿瘤特异性积累和组织渗透能力[20];然而,纳米药物往往在肿瘤中的保留不足。相反,较大的纳米颗粒虽然具有更好的积累和细胞内保留能力,但 extravasation(从血管进入组织)效果较差,渗透深度有限[21]。有趣的是,纳米马达作为一种有前景的解决方案,利用其独特的自主运动特性来改善肿瘤摄取和治疗递送[[22], [23], [24], [25]]。鉴于可逆的尺寸变换可以优化肿瘤积累和渗透,开发动态可调尺寸的纳米马达成为迫切需求,以增强肿瘤积累和保留能力,从而显著提高CDT的治疗效果。
在这里,我们介绍了可控聚集的酶驱动型M@JAu@PFG-DHA纳米马达(M@JAu@PFG-DHA NMs),通过多源调节ROS积累实现自我强化的CDT。如图1所示,这些纳米马达在葡萄糖溶液中通过GOx催化的反应进行有效的自主推进,由于其独特的扩散运动能力而显著提高了细胞摄取和内化。值得注意的是,进入肿瘤细胞后,最初的小纳米马达会在酸性条件下聚集形成较大的颗粒,这不仅延长了细胞内保留时间,还实现了高剂量药物的释放和持续的H2O2生成,从而通过局部ROS升高增强了治疗效果。详细来说,细胞内化后,由于TME中的11-巯基十一烷酸(MUA)的质子化和分子间氢键作用,纳米马达会聚集形成颗粒。随后,这些颗粒释放Fe2+离子通过芬顿反应生成有毒的·OH,并通过氧化还原反应消耗丰富的细胞内抗氧化剂谷胱甘肽(GSH),导致ROS积累。此外,DHA的分子内过氧化物桥可以被Fe2+离子解离,生成自由基并协同增强ROS水平。这种ROS爆发可以诱导脂质过氧化(LPO)和细胞线粒体功能障碍及细胞死亡,最终提高CDT的效果。这些不同的ROS介导途径可以显著增加肿瘤细胞中的ROS水平,协同增强CDT的肿瘤治疗效果。

材料与试剂

三水合氯化金(III)(HAuCl4·3H2O)、盐酸多巴胺(DA,>99.9%)、葡萄糖氧化酶(GOx,200单位/mg)、三(羟甲基)氨基甲烷(Tris,>99.9%)、N-[3-二甲氨基丙基]-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)、荧光素二乙酸酯(FDA,97%)、辣根过氧化物酶(HPR,>200单位/mg)、荧光素异硫氰酸酯(FITC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、双氢青蒿素(DHA)、11-巯基十一烷酸(MUA)、碘化丙啶(PI,1 mg/mL)

M@JAu@PFG-DHA纳米马达的制备与表征

M@JAu@PFG-DHA纳米马达通过图1a所示的顺序制备过程合成,首先通过将Au@SiO2微球逐滴加入多巴胺(DA)/Tris·HCl缓冲液中制备M@JAu@PDA纳米颗粒。去除SiO2模板后,用11-巯基十一烷酸(MUA)对纳米颗粒进行功能化,赋予其酸响应性,随后依次用FeCl2、葡萄糖氧化酶(GOx)和双氢青蒿素(DHA)进行修饰

结论

总之,我们成功开发了自我推进的M@JAu@PFG-DHA纳米马达,它们通过破坏肿瘤的氧化还原稳态诱导肿瘤细胞死亡,实现了高效且精确的肿瘤部位CDT。这些纳米马达在葡萄糖溶液中通过自扩散运动进行自主推进,并具有pH值响应的尺寸变换行为,小颗粒适合增强肿瘤渗透,大颗粒则适合在肿瘤组织中局部积累

作者贡献声明

潘燕楠:撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、数据管理。 谢启婷:方法学、研究、数据分析、数据管理。 王汉晨:方法学、研究、数据分析。 林天亮:研究、数据分析。 马雪梅:方法学、数据分析、数据管理。 赵中祥:撰写——审稿与编辑。 刘永强:撰写——审稿与编辑。 季旭星:撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(编号:22002020)的支持。

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