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同济大学《AFM》:一种具有巨大潜力的高效抗肿瘤方案!

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材料科学与工程 2021-10-16 01:50

氧化还原平衡在维持正常条件下的生物过程中起着至关重要的作用。活性氧(ROS)的产生和清除的动态平衡是氧化还原动态平衡的关键。ROS的过量产生可以促进肿瘤细胞的凋亡,这类策略已被广泛应用于抗癌治疗。此外,持续的生物催化治疗,如化学Fenton反应,利用生理过氧化氢(H2O2)产生羟自由基(OH·),在酸性条件下使用氧化铁、钴和铜化合物等金属基纳米酶作为催化剂,增强了氧化潜力。持续的生物催化治疗,如化学Fenton反应,利用生理过氧化氢(H2O2)生成羟自由基(OH·),增强氧化电位。许多肿瘤疗法利用破坏肿瘤细胞氧化还原平衡的优势,但要做到这一点,需要过度的生化或物理攻击。

来自同济大学的学者提出了的多路径技术的高通量模拟可以提高生物氧化的效率。在这项研究中,隔室分级纳米反应器被开发为一种高效的多路径单线态氧(1O2)产生系统,用于超活性生物催化肿瘤治疗。利用所提出的多酶复合物(SOD-LPO)和光敏剂分子(吲哚青绿(ICG))包埋的非均相模板组件,设计了穿透式多酶纳米反应器的穿透式超空腔和连通的双中孔孔道,实现了多酶复合体(SOD-LPO)和光敏剂分子(ICG)的复合。该间隔式二氧化硅纳米反应器系统利用超氧化物歧化酶-脂质过氧化物复合物相互作用的增强直接底物扩散和外在扩散的减少,验证了超活性级联生物催化和酶促光敏化等并行催化作用。平行通道不仅充分利用了超氧化物歧化酶的产物(H2O2和O2),而且在分别为1O2的2.15倍和1.7倍的情况下,表现出了良好的产氧能力。体外和体内研究都证明了1O2介导的协同抑制肿瘤增殖的作用,这一策略为缺氧肿瘤的治疗提供了巨大的潜力。相关文章以“A Compartmental Silica Nanoreactor for Multienzyme Regulated Superactive Catalytic Therapy”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202103531

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图1| 纳米反应器的制备和生物催化治疗示意图。A)采用一种新的非均相软模板法制备E-I-P-SNS。B)体内协同酶疗法和光动力疗法。在富含O2-的弱酸性三甲醚中,纳米反应器的仿生设计应包括H2O2的原位放大和超氧化物歧化酶对O2的补充。随后,LPO利用H2O2,产生对肿瘤细胞具有高度细胞毒性的1O2。在近红外激光照射下,ICG利用产生的O2提高光敏化效率。协同治疗导致1O2扩增,促进肿瘤细胞凋亡,进而提高细胞损伤后的ROS水平。

图2.E-I-P-SNS的特性。A)PFOB/PS-b-PAA/CTAB、PFOB和PS-b-PAA的结构。B)差示扫描量热法(DLS)测定PFOB/PS-BPAA/CTAB胶束的粒径分布。C)用50µLPFOB制备的SNS的SEM图像和D)TEM图像。(E)N2吸附-脱附等温线和F)用50µL PFOB制备的SNs的相应的密度泛函(DFT)孔径分布。G)汞侵入曲线和H)用50µL PFOB制备的SNs的不同孔径分布。I)E-I-P-SNS的STEM图像和元素映射。J)E-I-P-SNS在水、PBS(pH=7.4,含10%PBS)和培养基中的尺寸稳定性随时间的变化。

图3.协同生物催化的机理和级联酶催化产生1O2的检测。A)响应协同级联-酶催化和光敏化机理。B)用Δ指示剂测定游离级联酶和固定级联酶在不同Δ条件下1min内的吸光度变化和1min内的吸光度变化(C)DPBF指示剂测定游离级联酶和固定级联酶在不同条件下的吸光度变化。D)在CAT存在下,游离级联酶(超氧化物歧化酶和脂质过氧化物)和固定化级联酶产生O2的相对能力,用DPBF指示剂测定,1min内用Δ抗体计算。

图4。通过酶促进的光敏化和纳米反应器的稳定性来检测1O2的产生。A)用DPBF指示剂测定I-P-SN和SOD-I-P-SN的相对产氧能力,用5min内的Δ抗体计算。B)不同溶液中的动态光散射光斑图像:SODXXO、对照1(SODX)、E-I-P-SNXXO和对照2(E-I-P-SNX)。C)不同基团的纳米颗粒在加或不加黄嘌呤的情况下的总浓度(作为对照)。

图5.1O2的体外协同生物催化生成效率。(a)NIH/3T3和SMMC7721细胞与I-P-SNS或E-I-P-SNS共同孵育并用DCFH-DA探针处理后的激光共聚焦显微镜(CLSM)图像。b)NIH/3T3细胞的荧光强度,c)未经近红外激光照射的SMMC-7721细胞,d)经近红外激光照射的SMMC-7721细胞。用Image-Pro Plus 6.0对共聚焦的绿色区域进行分析,得到积分荧光强度(n=3)。(e)SMMC-7721细胞和(f)NIH/3T3细胞经i-P-SN或E-i-P-SN处理,加或不加近红外激光。

图6.协同生物催化的抗肿瘤效果。a)瘤内荧光成像和不同溶液共注入肿瘤组织后的H2O2探针ROSGreen;b)肿瘤区域相应的荧光强度(光子计数)。c)瘤内注射不同溶液后的O2指示剂Ru(dpp)的瘤内荧光成像;d)肿瘤区域相应的荧光强度(光子计数)。

在这项研究中,提出并证明了一种高效、高效的多酶触发的多途径1O2生成系统,用于动态肿瘤治疗。提出了一种新的非均相模板法制备级联型天然酶(SOD和LPO)和光敏剂ICG的多相模板法制备具有穿透超空腔和连通双中孔通道的SiO2载体。由于酶复合物之间的直接底物扩散增强和间隔式纳米反应器中中间体的外部扩散减少,E-1O2表现出优异的产氧量约为游离酶的2.15倍。此外,酶促的P-1O2被证实增加了1O2,提高了1.70倍。因此,持续生物催化和脉冲物理刺激的协同可控组合可以有出众的效率。在缺氧的肿瘤微环境中,多途径产生1O2作为一种高效的抗肿瘤方案具有巨大的潜力,可以对抗氧化还原平衡。(文:SSC)

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