陈小元/陈智毅等人JACS：外源性金属毒性大？可直接利用体内的金属进行Fenton反应！

NanoLabs

2020-08-31

化学动力疗法（CDT）涉及Fenton活性金属与过氧化物基团的反应，产生高度有害的活性氧（ROS），被认为是一种有前途的癌症治疗策略。Fenton型反应产生的ROS既不依赖分子氧（O₂），也不依赖外部光源，这使得CDT可以避免PDT的主要缺点（乏氧和光渗透深度）。尽管CDT技术具有巨大的治疗潜力，但仍处于起步阶段，目前，该方法的一个主要问题是施用过量的外源性Fenton类重金属（如铁，锰，铜和钴），这可能对人体健康造成潜在的不利影响，包括急性和慢性毒性。因此，非常需要开发一种替代策略来解决CDT中的这一问题。

既然外源性金属的过量施用有不利之处，那能否就地取材，直接使用体内的内源性金属呢？

美国国立卫生研究院陈小元，广州医科大学附属第三医院陈智毅等人把目光投向了体内的可变铁池（LIP），其为小部分游离的或松散结合的细胞内铁（II），具有氧化还原活性，因此具有参与细胞内Fenton型反应以产生自由基的能力，且在肿瘤处的水平较高。

但是，关于内源性LIP在基于Fenton化学的抗肿瘤CDT中的应用的研究很少。而且，作为Fenton反应的必不可少的一部分——含过氧化物基团的过氧化合物（ROOR），目前也没有研究利用LIP过程使用合适的ROOR。

于此，该研究报告了使用内源性不稳定铁（II）引发基于Fenton化学的CDT，以及具有最佳LIP介导的化学动力学功效的ROOR的探索及其在构建pH/LIP级联反应CDT纳米剂中的应用增强肿瘤治疗。

示意图

ROOR在活细胞内可以发生两种类型的反应：

（i）通过Fenton型机制裂解O-O键形成高毒性的自由基，

（ii）通过硫醇将ROOR转化为无毒的ROH在相应酶（例如谷胱甘肽（GSH）/谷胱甘肽过氧化物酶（GPx））的催化下含有高分子量的生物分子。预测ROOR的CDT效率时，必须考虑到这两个平行的反应。

为了阐明各种ROOR的化学动力学有效性，研究人员开发了一种简单的方法来模拟细胞的新陈代谢。此方法的预测程序包括两部分：（i）通过基于Fe²⁺的Fenton型反应确定自由基的产生；（ii）通过GSH / GPx评估ROOR向ROH的转化。结果表明，与其他ROOR相比，R′OOH具有良好的自由基生成能力和与GSH/GPx相对温和的反应性，是实现LIP刺激癌细胞死亡的有效化学动力剂。

图|CDT效率预测方法涉及的反应示意图

在体外细胞实验中，通过比较，同样验证了与H2O2，t-BP和ART相比，t-BH具有更好的癌细胞杀伤作用。且内源性LIP激活的化学动力学作用，以及癌细胞中LIP含量的升高水平，使得R'OOH能够有效，特异性地抑制肿瘤的进展。然后继续确认具有不同烷基的各种R'OOH是否具有相似的CDT行为，比较了t-BH，CH和MLH（后期使其研究）等各种R'OOH的化学动力学功效，结果显示所有三个R'OOH均显示出有效的抗癌活性，具有相对相似的IC50值，表明R'基团的改变不会显着改变R'OOH对癌细胞的CDT效率。

暴露于不同类型的ROOR的细胞实验

机制研究

然后再在细胞层面进行机理验证，综合荧光探针和细胞凋亡实验，可以推测，响应内源性LIP的ROS形成是MLH引起的癌细胞凋亡死亡的最重要因素之一。

考虑到R'OOH的化学动力学细胞毒性强烈依赖于细胞内可变铁（II），研究人员假设R'OOH和Era（一种能够增加细胞内不稳定的铁（II）的小分子）共同治疗癌细胞可能是增强CDT的有效策略。结果显示，显然MLH与Era的结合对细胞活力的丧失显示出显着的协同作用，结合指数为0.82。证明，R'OOH与LIP增强剂的结合可以增强化学动力学功效。

细胞流式

纳米化

众所周知，10-100nm的纳米药物通过增强通透性和滞留（EPR）效应优先积聚在肿瘤组织中。为此，通过将MLH和Era封装到pH敏感的PEG–PDPA的自组装纳米结构中构建了CDT纳米制剂。载量效率约97%的CDT纳米制剂在血清中保持稳定。在被肿瘤细胞内化后，PEG–PDPA聚合物的疏水性PDPA在酸性内/溶酶体室中变得亲水，导致纳米载体的崩解，伴随MLH和Era的快速释放。在体外细胞实验和体内抗肿瘤实验中，均表明携带MLH的PEG-PDPA NP是用于内源性LIP激活的癌症治疗的CDT剂，具有最小的副作用。

纳米化与细胞实验

小结：

综上所述，本文描述了一种新的基于LIP的内源性CDT策略，和具有最佳LIP介导CDT效率的ROOR的鉴定，以及其用于制造可激活的癌症治疗剂的强化学动力学纳米剂的用途。该工作提高了对ROOR细胞内代谢途径的基本了解，并为探索由内源性LIP激活的高性能CDT药剂提供了范例。

参考文献:

LisenLin, et al., Endogenous Labile Iron Pool-Mediated Free Radical Generation forCancer Chemodynamic Therapy. Journal of the American Chemical Society 2020.

DOI:10.1021/jacs.0c05604

https://doi.org/10.1021/jacs.0c05604