通过原位和异位加载UiO-66-NH2来调节槲皮素的释放，以实现pH响应性的肝癌治疗

槲皮素负载UiO-66-NH2金属有机框架通过在位与体外负载策略的研究表明，两种方法对MOF结构、药物释放行为及抗癌活性影响显著。在位负载导致MOF结构改变（表面积下降42.3%，孔容减少38.6%），形成pH响应的超级II型扩散机制（pH 1.2时释放率90.98%），但细胞毒性降低。体外负载保留MOF原始结构（表面积1550.73 m²/g），呈现异常扩散（pH 7.4释放率持续>60%），并维持更高抗癌活性（IC50值降低52.3%）。研究揭示了负载策略对MOF性能调控的关键作用。

莱拉·阿菲安蒂·马克苏姆（Layla Afianti Maksum）|维特里·瓦休·莱斯塔里（Witri Wahyu Lestari）|穆尔尼·汉达亚尼（Murni Handayani）|奥齐·阿迪·萨普特拉（Ozi Adi Saputra）|凯西莉亚·苏科瓦蒂（Caecilia Sukowati）|克劳迪奥·蒂里贝利（Claudio Tiribelli）|萨维里亚·洛里·克罗切（Saveria Lory Crocè）|法贾尔·拉赫曼·维博沃（Fajar Rakhman Wibowo）|毛利丹·菲尔达乌斯（Maulidan Firdaus）|托南·德维·阿尔迪安托（Tonang Dwi Ardyanto）

印度尼西亚中爪哇省苏拉卡塔市肯廷根杰布雷斯（Kentingan Jebres）苏塔米将军路36A号（Jl. Ir. Sutami No. 36A），塞贝拉斯马雷特大学（Universitas Sebelas Maret）数学与自然科学学院化学系，邮编57126

摘要

本研究探讨了将天然抗癌剂槲皮素（quercetin）结合到UiO-66-NH₂金属有机框架（MOFs）中的方法，采用了两种策略：一种是在MOF合成过程中进行原位封装（in-situ encapsulation），另一种是将槲皮素在预先制备的框架中添加（ex-situ loading）。这两种方法均成功制备出了具有不同结构和功能特性的含槲皮素MOFs。原位加载导致结构发生显著变化，表面积和孔隙率降低，而外源加载则保持了框架的原有结构。含槲皮素的MOFs的载药量分别为：原位加载为41.1%，外源加载为67.13%。两种体系均表现出pH响应性的药物释放行为，但机制不同：原位加载遵循超Case II传输机制，在酸性条件下槲皮素释放迅速（pH 1.2时释放量可达90.98%）；而外源加载则表现出非Fickian扩散行为，在生理pH值下实现缓慢而持续的释放。在肝癌细胞系（Huh7和JHH6）中的生物评估表明，外源加载的MOFs具有更强的抗癌活性。这些发现表明，药物结合方式显著影响MOFs的结构、释放行为和治疗效果，为设计用于靶向癌症治疗的响应性纳米载体提供了宝贵指导。

引言

肝癌，尤其是肝细胞癌（HCC），是全球主要的健康问题之一，也是全球癌症相关死亡的主要原因之一[1]。其在东南亚地区（包括印度尼西亚）的高发病率主要归因于慢性乙型和丙型肝炎感染以及黄曲霉素等环境因素[2],[3],[4]。尽管治疗手段有所进步，但HCC的治疗效果仍然有限。传统化疗常伴随严重的副作用和快速的药物耐药性，而索拉非尼（sorafenib）和仑伐替尼（lenvatinib）等靶向疗法仅能略微提高生存率，并且成本高昂且选择性较低[5],[6],[7]。

鉴于这些挑战，人们对具有天然抗癌活性的化合物越来越感兴趣，尤其是那些能够调节多种信号通路且系统性毒性较低的化合物。槲皮素是一种植物来源的黄酮类化合物，在肝癌模型中显示出强烈的抗增殖、促凋亡和抗血管生成作用[8],[9],[10]。然而，其临床应用受到极低水溶性（约1 μg/mL）、低口服生物利用度（<10%）以及快速系统代谢的制约，导致治疗暴露量有限[12]。为克服这些挑战，人们提出了基于纳米载体的递送系统，以提高槲皮素的溶解度、稳定性和在肿瘤组织中的靶向积累。这类平台不仅能保护槲皮素免受过早降解，还能实现控制释放并在肿瘤部位增强生物利用度，从而最大化治疗效果的同时最小化脱靶毒性[13],[14]。

在这些递送系统中，金属有机框架（MOFs）因其高孔隙率、可调表面化学性质、大表面积以及封装生物活性分子的能力而成为有前景的纳米载体[15],[16],[18]。特别是基于锆的MOF UiO-66-NH₂（化学式为[Zr₆O₄(OH)₄(bdc-NH₂)₁₂），因其优异的化学和水分稳定性、大表面积（高达1550.73 m²/g）和可访问的孔体积（0.418 cm³/g）、生物相容性（低毒性）、高载药量、可控释放以及由于含有氨基基团而具备的靶向性和刺激响应性，成为药物递送应用的理想候选材料[19],[20],[21],[22],[23]。Kazemi等人通过缺陷工程策略合成了MOF-808纳米载体，精确调节了孔隙率并实现了5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil）的pH响应性释放，结果显示在酸性条件下（pH 5.5 vs 7.4）释放量增加，这对肿瘤环境非常有利，并增强了对MCF-7细胞的细胞毒性[24]。此外，室温合成也被证明是一种有效的方法，可用于制备具有内在pH敏感性的Zn-MOF-74纳米载体，通过聚合物涂层（ALG, PDA）改善生物相容性和释放控制[25]。尽管有这些优势，但在使用MOFs进行药物递送时，精确控制药物释放（尤其是对生理pH变化的响应）仍是一个主要挑战。为解决这一问题，研究人员探索了原位和外源加载策略，以优化疏水性药物（如槲皮素）与MOFs之间的相互作用[26],[27]。原位加载是在MOF合成过程中加入药物，可能改变框架结构并提高药物包封效果，确保药物在MOF结构中的均匀分布并防止快速释放；而外源加载则允许将药物分子引入预先制备的MOFs中，保持结构完整性并实现表面吸附或孔隙扩散[28],[29]。研究表明，外源加载方法可以增强MOFs的吸附能力和动力学性能，还能在材料表面引入金属结合位点、有机功能基团等[30]。

然而，使用相同MOF-药物系统的原位和外源加载策略的系统比较（特别是在结构-加载-释放-细胞毒性关系方面）仍然有限。了解这些加载方法如何影响物理化学性质、pH响应性释放行为和生物活性，对于合理设计基于MOFs的癌症治疗递送系统至关重要。因此，在本研究中，我们通过原位和外源方法研究了槲皮素在UiO-66-NH₂中的加载情况，并考察了其结构特性、pH依赖的释放动力学以及对肝癌细胞系（Huh7和JHH6）的细胞毒性效应。我们的目标是阐明加载策略的选择如何影响在pH变化环境下的治疗效果。

材料

ZrCl₄（99%）、槲皮素（95%）、KCl（1 M）和NaOH（98%）从Sigma Aldrich公司购买。2-氨基对苯二甲酸（99%）、N,N’-二甲基甲酰胺（DMF）（98%）、乙醇（98%）、冰醋酸、Na₂HPO₄（99%）、NaH₂PO₄∙H₂O（98%）、K₂HPO₄（98-101%）、KH₂PO₄（99.5-100.5%）从德国Merck公司购买。HCl（37%）由Mallinckrodt公司提供。蒸馏水由塞贝拉斯马雷特大学数学与自然科学学院实验室提供。

外源加载含槲皮素的UiO-66-NH₂

UiO-66-NH₂

原位和外源加载槲皮素的UiO-66-NH₂

采用乙酸调节的溶剂热法，在130°C下用ZrCl₄和2-氨基对苯二甲酸（H₂BDC-NH₂）在DMF中合成UiO-66-NH₂，反应时间为24小时。所得框架由Zr(IV)离子与十二个连接分子（BDC²⁻）配位形成，分子式为[Zr₆O₄(OH)₄(BDC-NH₂)₁₂，如图1所示。槲皮素的修饰通过两种方法进行：外源加载和原位加载。

结论

本研究系统地比较了原位和外源加载的槲皮素UiO-66-NH₂，强调了药物结合策略对结构特性、药物释放行为和抗癌活性的关键影响。本研究并未提出新的MOF体系，而是阐明了同一UiO-66-NH₂平台下不同加载方法所导致的结构-功能关系。原位加载导致结晶度和表面积降低

CRediT作者贡献声明

穆尔尼·汉达亚尼（Murni Handayani）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据管理。 奥齐·阿迪·萨普特拉（Ozi Adi Saputra）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、数据管理。 凯西莉亚·苏科瓦蒂（Caecilia Sukowati）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、实验设计、数据分析。 克劳迪奥·蒂里贝利（Claudio Tiribelli）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。 托南·德维·阿尔迪安托（Tonang Dwi Ardyanto）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。 莱拉·阿菲安蒂·马克苏姆（Layla Afianti Maksum）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢LPPM塞贝拉斯马雷特大学通过与国际合作计划（与Fondazione Italiana FegatoFIF及的里雅斯特大学合作）提供的财政支持，项目编号为369/UN27.22/PT，资助时间截至2025年。