光/ pH 双控药物释放“纳米容器”缓解肿瘤缺氧以增强化疗、光动力疗法和化学动力疗法的协同效应

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光/pH双控药物释放“纳米容器”缓解肿瘤缺氧，协同增强化疗、光动力治疗和化学动力治疗

学术背景

在临床癌症治疗中，化疗和放疗存在诸多局限性，如耐药性、治疗不彻底和周期性复发等问题。为了克服这些缺点，研究人员开发了多种替代策略，其中包括多模态联合治疗，这种治疗方式可以与其他疗法互补，提高肿瘤治疗的效果。光动力治疗（PDT）是一种典型的氧化治疗策略，利用光激活的光敏剂和环境中的氧气（O₂）产生高水平的毒性活性氧（ROS），从而杀死癌细胞。PDT因其非侵入性、快速起效和按需可控性，在原发性肿瘤治疗中具有显著优势。然而，肿瘤的缺氧微环境限制了PDT过程中ROS的生成，进而限制了PDT在癌症治疗中的应用。

β-拉帕醌（LPC）是一种新型化疗药物，通过直接与拓扑异构酶1相互作用，抑制肿瘤细胞增殖。然而，LPC生成过氧化氢（H₂O₂）的能力依赖于肿瘤内的氧气含量。肿瘤细胞为了快速增殖消耗大量氧气，导致长期缺氧的微环境，这显著限制了PDT和LPC的抗肿瘤效果。因此，改善肿瘤的缺氧环境是确保PDT和化疗联合治疗效果的先决条件。

论文来源

这篇论文由Shihe Liu、Xin Zhang、Zhimin Bai等研究人员共同撰写，他们来自燕山大学的多个实验室，包括河北省应用化学重点实验室、河北省纳米生物技术重点实验室等。该研究于2024年10月19日在线发表在Bio-design and Manufacturing期刊上，DOI为10.1007/s42242-024-00310-5。

研究流程

1. 纳米药物递送系统的设计与合成

研究人员设计了一种基于多孔配位网络（PCN）的光/pH双控药物递送系统，命名为LPC@PCN@PDA/Fe³⁺-AS1411（LPPFA）。该系统通过将β-拉帕醌（LPC）负载到PCN（Mn）框架中，并在其表面涂覆聚多巴胺（PDA），最后修饰上核酸适配体AS1411和三价铁离子（Fe³⁺）来构建。

  • PCN（Mn）的合成：采用溶剂热法合成PCN（Mn），将四水合氯化锰（MnCl₂·4H₂O）和四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）溶解在二甲基甲酰胺（DMF）中，加入乙酸后，在150°C下反应12小时，得到黑色沉淀物。
  • LPC的负载：将PCN（Mn）与LPC在乙醇中混合，通过离心和紫外光谱法测定LPC的封装效率和载药量。
  • PDA涂层的制备：通过多巴胺的氧化聚合反应，在LPC@PCN表面形成PDA涂层，防止药物在运输过程中泄漏。
  • Fe³⁺和AS1411的修饰：通过螯合反应和酰胺反应，将Fe³⁺和AS1411依次修饰到PDA表面，形成最终的LPPFA纳米颗粒。

2. 纳米颗粒的表征

研究人员通过透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、紫外-可见光谱（UV-Vis）等手段对纳米颗粒的形貌、尺寸、表面电位等进行了详细表征。结果表明，LPPFA纳米颗粒具有均匀的球形结构，尺寸约为160 nm，且具有良好的分散性和稳定性。

3. 光热性能评估

研究人员评估了LPPFA的光热转换性能。在808 nm近红外激光照射下，LPPFA溶液的温度从25°C迅速升至52°C，显示出优异的光热转换效率。此外，LPPFA在多次激光照射下仍能保持稳定的光热性能，表明其具有良好的光热稳定性。

4. 药物释放行为研究

研究人员研究了LPPFA在不同pH和激光照射条件下的药物释放行为。结果表明，在酸性环境（pH=5.5）下，LPC的释放速率显著高于中性环境（pH=7.4）。此外，808 nm激光照射进一步促进了LPC的释放，表明LPPFA具有pH和光双重响应的药物释放特性。

5. 光动力和化学动力性能评估

研究人员通过DPBF消除法和DCFH-DA荧光探针法评估了LPPFA的光动力和化学动力性能。结果表明，LPPFA在660 nm激光照射下能够产生大量的ROS，且Fe³⁺的存在进一步增强了ROS的生成，表明LPPFA具有优异的光动力和化学动力治疗效果。

6. 细胞实验

研究人员通过CCK-8实验、线粒体膜电位检测和细胞凋亡实验评估了LPPFA对肿瘤细胞的抑制作用。结果表明，LPPFA在808 nm和660 nm激光照射下能够显著抑制肿瘤细胞的增殖，并诱导细胞凋亡。

7. 动物实验

研究人员在小鼠宫颈癌模型中评估了LPPFA的体内抗肿瘤效果。结果表明，LPPFA在808 nm和660 nm激光照射下能够显著抑制肿瘤的生长，且对小鼠的肝肾功能无明显毒性。

主要结果

  1. 纳米颗粒的合成与表征：成功合成了LPPFA纳米颗粒，并对其形貌、尺寸、表面电位等进行了详细表征。
  2. 光热性能：LPPFA在808 nm激光照射下表现出优异的光热转换效率和稳定性。
  3. 药物释放行为：LPPFA在酸性环境和激光照射下能够实现LPC的快速释放。
  4. 光动力和化学动力性能：LPPFA在660 nm激光照射下能够产生大量的ROS，且Fe³⁺的存在进一步增强了ROS的生成。
  5. 细胞实验：LPPFA在808 nm和660 nm激光照射下能够显著抑制肿瘤细胞的增殖，并诱导细胞凋亡。
  6. 动物实验：LPPFA在808 nm和660 nm激光照射下能够显著抑制肿瘤的生长，且对小鼠的肝肾功能无明显毒性。

结论

该研究成功开发了一种光/pH双控响应的纳米药物递送平台，能够有效改善肿瘤缺氧环境，实现PDT、CDT和化疗的协同增强效果。LPPFA纳米颗粒具有优异的肿瘤靶向性、光热转换性能和药物释放特性，能够显著抑制肿瘤生长，且对正常组织无明显毒性。该研究为开发智能多功能治疗纳米平台提供了新的思路。

研究亮点

  1. 多模态联合治疗：LPPFA纳米颗粒能够同时实现PDT、CDT和化疗的协同治疗，显著提高了抗肿瘤效果。
  2. 光/pH双重响应：LPPFA纳米颗粒能够在酸性环境和激光照射下实现药物的快速释放，提高了药物的靶向性和治疗效果。
  3. 优异的生物相容性：LPPFA纳米颗粒对正常组织无明显毒性，具有良好的生物安全性。