林文斌Nat. Commun.：纳米MOFs用于线粒体靶向的肿瘤放射及放射动力疗法

林文斌课题组

2018-10-22

第一作者：Kaiyuan Ni、Guangxu Lan

通讯作者：Wenbin Lin

通讯单位：芝加哥大学（美国）

研究亮点：                                      

发展了一种形貌尺寸精确可控的新型纳米MOF，并用于靶向线粒体的放射治疗及放射动力治疗。

光动力治疗通过激发光敏剂产生具有强细胞毒性的活性氧物种杀伤癌细胞。然而，受限于活性氧物种的较短的寿命，光动力治疗只能对距离光敏剂较近的细胞器进行杀伤。由于线粒体在癌细胞的增殖和代谢中起到重要作用，将光敏剂靶向癌细胞线粒体可以最大化实现光动力治疗效果。最近研究表明，具有正电性的三联吡啶钌类光敏剂可以选择性地富集在具有负电性的线粒体中，但是激发光的较浅（<1 cm）穿透深度限制了其的应用。

有鉴于此，芝加哥大学林文斌教授课题组设计了一种以铪氧簇为节点，以三联吡啶钌衍生物作为配体，形貌尺寸精确可控的正电性新型纳米MOF（Hf-DBB-Ru），实现了靶向癌细胞线粒体。

图1 Hf-DBB-Ru靶向肿瘤线粒体的放射及放射动力疗示意图

在具有极强组织穿透深度的X射线的激发下，富集在癌细胞线粒体中的Hf-DBB-Ru通过铪基节点吸收X射线能量并激发位于配体中的三联吡啶钌光敏剂，从而产生活性氧物种选择性杀伤癌细胞线粒体，成功实现了出色的抗癌效果。

合成与表征：

Hf-DBB-Ru表现为尺寸约100纳米的晶化良好的球状纳米晶。Hf-DBB-Ru的光敏中心具有与三联吡啶钌相同的分子结构，并表现出相似的光敏性质。在X射线的激发下，Hf-DBB-Ru能够产生具有细胞毒性的羟基自由基和单线态氧。

图2Hf₆-DBB-Ru的合成与表征

线粒体靶向：

为了研究Hf-DBB-Ru的线粒体靶向作用，另一种负电性MOF（Hf-DBA）被用作参照。在Hf-DBB-Ru处理的癌细胞中，大量Hf-DBB-Ru富集于线粒体，而在Hf-DBA处理的癌细胞中只有少量Hf-DBA存在于线粒体。共聚焦显微镜结果直观的反映了这种差异，证实Hf-DBB-Ru可以有效地靶向癌细胞线粒体。

图3Hf₆-DBB-Ru靶向线粒体

癌细胞杀伤：

将Hf-DBB-Ru处理后的癌细胞进行X射线照射，成功检测到了Hf-DBB-Ru产生的活性氧物种，包括羟基自由基和单线态氧。这些活性氧物种同时实现了癌细胞立即死亡和癌细胞增殖性死亡。

图4 Hf₆-DBB-Ru杀伤癌细胞

活体抗癌效果：

将Hf-DBB-Ru注射到小鼠的肿瘤内并进行X射线照射后，Hf-DBB-Ru表现出了优异的抗癌效果，抑制小鼠肿瘤生长，并有部分小鼠得到彻底痊愈。

图5 Hf₆-DBB-Ru的活体抗癌效果

参考文献：

Ni K, Lin W, et al. Nanoscale metal-organic frameworks for mitochondria-targeted radiotherapy-radiodynamic therapy[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-06655-7

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06655-7

作者简介：

林文斌，美国芝加哥大学化学系和辐射与细胞肿瘤系的James Franck讲座教授。林文斌教授在化学与生物化学及纳米医学方面有重要贡献，在包括Nat. Biomed. Eng.，Nat. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等世界顶级杂志上发表文章320余篇，文章被广泛引用（h-index~100）。1999-2009 年度文章引用世界前十位化学家。汤森路透集团2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单第54名。

课题组网站：

http://linlab.uchicago.edu/