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華南理工唐本忠院士團(tuán)隊(duì)馮光雪教授/南開丁丹教授 ACS Nano：雙模態(tài)ROS刺激的一氧化碳釋放用于光動(dòng)力和氣體腫瘤的協(xié)同治療
2024-11-05  來(lái)源：高分子科技

  光動(dòng)力治療憑借其低毒性、低耐藥性和高時(shí)空選擇性等優(yōu)點(diǎn)在腫瘤治療方面取得了顯著的效果。但其療效仍受腫瘤內(nèi)部固有的乏氧微環(huán)境屬性、作用范圍小和光敏劑產(chǎn)ROS能力不足等因素制約，嚴(yán)重阻礙其在臨床實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用。近些年，具有生物活性的氣體（如H2、NO、CO）已被開發(fā)用于抗腫瘤治療，且由于CO具有較小的分子尺寸、高跨膜擴(kuò)散率等優(yōu)點(diǎn)，使其成為腫瘤治療的有利候選者。然而，單獨(dú)的傳統(tǒng)CO氣體治療效果并不明顯，且它在時(shí)空上的不可控性帶來(lái)嚴(yán)重的副作用。因此如何實(shí)現(xiàn)CO氣體在腫瘤部位精準(zhǔn)的按需釋放以提高CO氣體對(duì)腫瘤的治療效果是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。


  基于此，華南理工大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)馮光雪教授聯(lián)合南開大學(xué)丁丹教授合作構(gòu)建了一種高效的多功能納米平臺(tái)（TPyNO2?FeCO NPs），該納米平臺(tái)主要通過(guò)利用兩親性的聚合物（DSPE-PEG2000）將高效的具有雙模態(tài)活性氧（ROS）產(chǎn)生能力的有機(jī)光敏劑和一氧化碳（CO）氣體供體十二羰基鐵（Fe3(CO)12）共封裝而得到。值得一提的是，在前期略構(gòu)筑高效的I/II型有機(jī)光敏劑的研究工作基礎(chǔ)上（Biomaterials, 2022, 280, 121255; Mater. Chem. Front., 2023, 7, 96–105; ACS Nano, 2022, 16, 9130?9141; ACS Nano, 2023, 17, 16993?17003; Adv. Mater. 2023, 35, 2208692），本工作通過(guò)協(xié)同光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制（PET）策略，在陽(yáng)離子化光敏劑（TPyOH）骨架中進(jìn)一步引入4-硝基芐基，實(shí)現(xiàn)光敏劑 (TPyNO2)的分子內(nèi)α-PET過(guò)程。這不僅抑制了光敏劑TPyNO2的輻射衰變，促使激發(fā)態(tài)能量重新定向到系間竄越以形成更多的三重態(tài)，而且有效促進(jìn)了分子內(nèi)的電子分離和轉(zhuǎn)移過(guò)程。使得TPyNO2在受光激發(fā)后，不僅有效提升單線態(tài)氧（1O2）生成，而且顯著增強(qiáng)其自由基型ROS生成效率。此外，在光照射下，TPyNO2?FeCO NPs通過(guò)I型和II型雙模態(tài)ROS協(xié)同介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)CO氣體的高效受控釋放，克服了傳統(tǒng)CO釋放系統(tǒng)的局限性。最重要的是，TPyNO2?FeCO NPs在腫瘤細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出自加速的ROS?CO?ROS循環(huán)，有效提升細(xì)胞內(nèi)的ROS水平。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PDT和CO氣體聯(lián)合治療的良好抗腫瘤療效和生物相容性。該研究為高性能有機(jī)光敏劑的開發(fā)提供了新的見解，為光動(dòng)力治療和CO氣體的協(xié)同可控治療提供新思路。


方案1. 用于協(xié)同PDT和CO氣體治療的TPyNO2?FeCO NPs納米平臺(tái)原理圖。(a)分子內(nèi)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）增強(qiáng)TPyNO2的ROS生成示意圖。NR：非輻射衰變；ISC：系統(tǒng)間交叉；FL:熒光。(b) TPyNO2?FeCO NPs的合成示意圖。(c)用于協(xié)同PDT和CO氣體治療的TPyNO2?FeCO NPs納米平臺(tái)示意圖。


圖1. (a) TPyOH和TPyNO2（50 μM）的紫外吸收光譜和(b) PL光譜。（c?f） TPyOH、TPyNO2、Ce6或CV在白光（20 mW cm?2）照射下(c) DCFH熒光增強(qiáng)、(d) DHR123熒光增強(qiáng)、(e) HPF熒光增強(qiáng)、(f) ABDA吸光度（399 nm）變化時(shí)程圖。(g) TPyOH和TPyNO2的HOMO和LUMO分布，由TD-DFT（B3LYP/6-31G(d,p)）計(jì)算。(h) TPyNO2內(nèi)α-PET過(guò)程示意圖。(i) TPyOH和TPyNO2的光電流響應(yīng)。(j) TPyNO2的ROS生成過(guò)程示意圖。


圖2. (a)水動(dòng)力尺寸分布，(b)透射電子顯微鏡（TEM）圖像，(c) TPyNO2 NPs和TPyNO2?FeCO NPs的ζ電位。(d) TPyNO2 NPs和TPyNO2?FeCO NPs在超純水中的歸一化吸收光譜。(e) TPyNO2 NPs和TPyNO2?FeCO NPs在超純水（基于TPyNO2, 10 μM）中的PL光譜。激光照射TPyNO2 NPs和TPyNO2?FeCO NPs （基于TPyNO2，10 μM）時(shí)(f) DCFH熒光增強(qiáng)，(g) HPF熒光增強(qiáng)，(h) ABDA吸光度下降的時(shí)間圖。(i) TPyNO2 NPs和TPyNO2?FeCO NPs的ROS生成總述。


圖3. (a)雙模ROS刺激下TPyNO2?FeCO NPs釋放CO的示意圖。(b) TPyNO2?FeCO NPs存在下CO探針在白光（50 mW cm?2）照射下的PL光譜。(c)通過(guò)探針FL-CO-1熒光增強(qiáng)因子（I/I0）比較不同組間CO的釋放情況，其中I和I0分別為FL-CO-1光照前后的PL強(qiáng)度。(d)在TPyNO2?FeCO NPs存在下，Hb（4.2 μM）在白光照射下的吸收光譜變化。(e) Hb（4.2 μM）在Fe3(CO)12存在下的白光吸收光譜變化。(f)不同組別的有關(guān)一氧化碳釋放情況。


圖4. (a)可控白光照射TPyNO2?FeCO NPs和I/II型PDT和CO氣體協(xié)同燒蝕引發(fā)的特定ROS-CO-ROS回路示意圖。(b)與TPyNO2?FeCO NPs孵育不同時(shí)間的MB49細(xì)胞的CLSM圖像。(c)基于(b)圖像的半定量分析紅色熒光強(qiáng)度（FLI）。(d)使用CO熒光探針（FL-CO-1）檢測(cè)MB49細(xì)胞中的CO釋放。(e)基于(d)圖像的綠色熒光強(qiáng)度半定量分析。(f) DCFH-DA獲取的MB49細(xì)胞內(nèi)ROS檢測(cè)。(g)根據(jù)(f)中的圖像對(duì)DCF綠色熒光強(qiáng)度進(jìn)行半定量分析。(h)不同濃度的TPyNO2 NPs或TPyNO2?FeCO NPs孵育后MB49細(xì)胞的細(xì)胞活力，然后進(jìn)行光照。(i)不同處理后的活細(xì)胞/死細(xì)胞染色，使用鈣黃素- AM（活細(xì)胞綠色發(fā)射）和碘化丙啶（死細(xì)胞紅色發(fā)射）測(cè)定。


圖5. (a)體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn)示意圖。(b)處理后小鼠平均體重變化。(c)不同處理后12天腫瘤體積生長(zhǎng)曲線。(d)第12天小鼠腫瘤的代表性照片。(e)治療12天后小鼠腫瘤的重量。(f)不同處理后腫瘤組織H&E、TUNEL、Ki67染色分析。標(biāo)尺= 100 μm。（G1）PBS, (G2) PBS + L, (G3) TPyNO2 NPs, (G4) TPyNO2?FeCO NPs, (G5) TPyNO2 NPs + L, (G6) TPyNO2?FeCO NPs + L。


圖6. (a)肝臟功能標(biāo)記物，(b)腎功能標(biāo)記物，(c)健康BALB/c小鼠經(jīng)靜脈注射PBS（灰色）、TPyNO2 NPs（藍(lán)色）或TPyNO2?FeCO NPs（紅色）（1 mg/mL，100 μL /只小鼠）7天后的主要器官H&E染色切片的組織學(xué)分析。標(biāo)尺：200 μm。


  以上成果發(fā)表在ACS Nano期刊上。論文題目是“Dual-Mode Reactive Oxygen Species Stimulated Carbon Monoxide Release for Synergistic Photodynamic and Gas Tumor Therapy”。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、廣東省分子聚集體發(fā)光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金等項(xiàng)目的支持。馮光雪教授和丁丹教授為通訊作者，該工作還得到了唐本忠院士的指導(dǎo)。華南理工大學(xué)2020級(jí)博士生俞岳文（現(xiàn)為江西科技師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院專任教師）、和華南理工大學(xué)2021級(jí)博士生張樂(lè)作為共同第一作者完成了該項(xiàng)研究。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c10277

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