同济大学Angew：冲锋陷阵，纳米凝胶持续产生ROS治疗肿瘤

NanoLabs

2019-12-18

第一作者：Qi Zhang、Jiaojiao Wu、Jingjing Wang

通讯作者：王启刚、成昱

通讯单位：同济大学

研究亮点：

1. 首次提出磁热酶串联疗法，即结合程序化的物理激活和生物激发的酶疗法，实现时空控制¹O₂上调，进行癌症治疗；

2. 通过磷酸酶触发凝胶自组装制备包裹酶的新颖制备方法；

3. 附加的磁导航和成像技术实现主动导航至肿瘤部位，增加肿瘤部位药物的累积。

研究背景：

传统的癌症治疗包括手术、化疗和放疗，有着不可控制的毒副作用，这增加了肿瘤复发率，并导致不良的预后。在肿瘤区域通过生物氧化调节活性氧（ROS）是一种新兴的用于癌症治疗的策略。活性氧（ROS）在细胞内信号转导和细胞命运调控中起着双刃剑的作用。癌细胞中ROS水平升高在很大程度上依赖于抗氧化剂防御系统。因此，适当提高ROS，以精确打破癌细胞脆弱的氧化还原平衡，是有效治疗癌症的关键前提。

外源性ROS可以由物理环境压力（例如紫外线或热暴露）产生，如PDT，SDT，而内源性ROS的主要来源通常来自生物化学酶促氧化，如生物催化芬顿反应。然而，结合物理方法和生物化学方法的优点用于抗癌的方法还没有报道。

事实上，在先天免疫系统中，奇妙的中性粒细胞能够完美地结合外源性炎性细胞因子的活化，通过氧化酶和髓过氧化物酶的分泌来维持持续的生化抗感染和细胞命运调控。在这些过程中，NADPH氧化酶可以产生内源性H₂O₂或超氧阴离子自由基，并被髓过氧化物酶转化为¹O₂或次氯酸。这种可激活、可调节的生物催化作用为可调节活性氧升高的肿瘤治疗的物理-生化串联设计提供了很好的启示，即物理刺激可作为短期激活剂，酶可作为生物催化ROS的恒定输出。

成果简介：

有鉴于此，结合PDT和SDT的物理可活化特性以及EDT的有效酶促生物氧化作用，同济大学王启刚教授联合成昱教授课题组提出了一类新型的载有酶的磁性纳米凝胶，MNP-CPO@Nanogels，作为一种可活化和程序控制的嗜中性粒细胞模拟物，通过上调细胞内¹O₂进行的癌症治疗，称为磁热酶串联疗法（METT）。

总体思路:

串联设计：首先，磁性纳米粒子(MNPs)通过磁热时空控制产生外源性H₂O₂，然后，氯过氧化物酶（CPO）再通过生物催化作用，将外源H₂O₂催化生成¹O₂，用于肿瘤治疗。值得注意的是，自组装凝胶层可为酶促反应提供保护性微环境和底物通道。

纳米凝胶复合物作为MNPs和CPO的结合物，通过程序化的交变磁场诱导热刺激，为控制¹O₂的生成提供了一种有吸引力的方法。

 图1. 示意图

要点1：材料制备及表征

由于CPO的疏水性增强和非共价固定，稳定的纳米凝胶通过表面酸性磷酸酶（AP）触发了MNP核周围氨基酸分子进行自组装，以获得锌掺杂的Fe₃O₄ MNP和CPO纳米凝胶复合物MNP-CPO@Nanogel。其水合粒径为187±18.3 nm。

实验表明，MNP-CPO@Nanogel仍具有较高的CPO酶活性和结构稳定性。另外，还验证了材料在交变磁场下，具有很好的磁热效果和能显著催化产生¹O₂。

图2. 材料制备及表征

要点2：细胞实验

细胞内化显示MNP-CPO@Nanogels能够成功进入癌细胞的溶酶体。且在5min内，MNP的温度升高到43℃，说明MNP具有良好的磁热效率。重要的是，作为METT概念研究的证明，首先，MNP@Nanogels（MH）的磁热疗提高了细胞内H₂O₂的含量，然后MH活化的生物催化MNP-CPO@Nanogels（ET）连续产生¹O₂，这两个都得以证明。此外，实验还表明细胞内H₂O₂和¹O₂的量可由METT程序化调控。

在细胞毒性实验中，METT组在非常低的孵育浓度下显示出有效的抗癌功效，且酶处理和磁热疗之间具有理想的协同作用。在凋亡机制研究中表明，METT可能通过caspase依赖的途径诱导细胞凋亡。

图3. 细胞实验

要点3. 动物实验 

在U87胶质母细胞瘤原位模型实验中结果表明，经颅内注射，METT能有效地抑制胶质母细胞瘤的发生，对正常组织安全。此外，在MCF-7皮下模型的进行瘤内注射和静脉注射。瘤内注射中，肿瘤在第7天明显收缩，在第15天几乎消失。

同时，在静脉注射MNP-CPO@Nanogels的MCF-7皮下模型中，经磁导航治疗的小鼠在肿瘤部位具有更高比例的磁纳米凝胶积聚，且显示出抑制作用。该物理生化级联疗法可实现空间控制物理信号的生成，且以可编程的方式触发在靶点处后续生成的生化试剂，从而选择性杀伤肿瘤。

简而言之，新颖的磁热-酶级联治疗模型以及附加的磁导和成像技术，相对于以前的被动酶动态治疗而言，具有重大进展。

 图4. 原位模型及皮下模型实验

小结：

总而言之，受生物抗炎反应性生物催化的启发，首次提出并证明了时空可控的磁热酶串联治疗（METT）策略用于¹O₂上调的癌症治疗。即载有酶的磁性纳米凝胶可以促进磁热诱导的细胞内ROS的生成以及串联CPO催化的¹O₂的连续生成。该智能纳米凝胶复合物通过在一个平台上结合程序化的物理激活和生物激发的酶疗法，可以拓宽未来研究人员的抗癌思路。这项工作可以增强工程化的生化反应，使其成为一个串联过程，以上调并产生丰富的¹O₂用于癌症治疗，这为¹O₂诱导的肿瘤治疗策略的发展提供启示。

参考文献：

Zhang, Q., Wu, J., Wang, J., Wang, X., Wu, C., Chen, M., Wu, Q., Lesniak, M..S., Mi, Y., Cheng, Y. and Wang, Q. (2019), Neutrophils‐Inspired Supramolecular Nanogel for Magnetocaloric‐Enzymatic Tandem Therapy. Angew. Chem. Int. Ed.

doi:10.1002/anie.201915118

https://doi.org/10.1002/anie.201915118

课题组介绍

王启刚教授，1999年本科毕业于华东理工大学能源化工系，2002硕士毕业于华东理工大学能源化工系，2005年3月博士毕业于中科院上海硅酸盐所，2005-2011年分别在香港科技大学、日本东京大学和RIKEN从事博士后研究工作。2011年3月加盟同济大学化学科学与工程学院，任特聘教授，博士生导师，先后获得教育部新世纪人才和上海科委浦江人才等称号。多年的研究围绕"含酶载体材料的设计及催化氧化应用"这一主轴来展开，以通讯作者及第一作者在Nature, Adv. Mater.，Nat. Comm., JACS，Angew, ACS Nano等国际高影响期刊发表论文70余篇。

成昱教授，美国凯斯西储大学物理化学专业博士，美国芝加哥大学医学院脑癌研究中心博士后，同济大学医学院教授。研究方向：纳米智能材料在脑肿瘤诊断及治疗中的应用、纳米材料与干细胞联用在癌症治疗中的应用以及纳米材料生物相容性的研究。已在Advanced Drug Delivery Reviews、Journal of American Chemical Society、Small、Biomaterials等国际高水平杂志上发表SCI论文及著作。创新成果被国际同行广泛认可，单篇他引次数已经超过250次。