由肿瘤微环境触发的H?O?自驱动治疗纳米凝胶，用于磁共振成像以及化学动力学/气体协同疗法

《Materials Today Chemistry》：Tumor microenvironment-triggered H 2O 2 self-powered theranostic nanogels for magnetic resonance imaging and chemodynamic/gas synergistic therapy

该研究开发了一种基于肿瘤微环境激活的CaO2-LA@STF纳米凝胶，通过Fe3?交联的钠果胶酸-鞣酸复合膜实现pH响应性分解，释放Fe2?/3?增强MRI对比，同时CaO2分解生成H2O2经Fenton反应产ROS，与LA转化生成的NO协同产生ONOO?，诱导肿瘤细胞凋亡。纳米凝胶在体内14天内代谢完毕且生物相容性良好，实现了非侵入性影像监测与自驱动协同治疗。

　　

作者：赵美妮、周慧、赖宗兵、崔勇、王超

沈阳药科大学医疗器械学院，中国沈阳市文华路103号，110016

摘要

气体疗法作为一种有前景的抗癌策略，因其几乎不存在药物抗性、能够深入组织以及具有出色的生物安全性而受到关注。在各种气体介导的疗法中，基于一氧化氮（NO）的抗肿瘤疗法在诱导DNA损伤和破坏细胞稳态方面具有独特的潜力。然而，NO的极短半衰期和有限的扩散距离限制了其治疗效果。在此，我们设计了一种由肿瘤微环境（TME）激活的CaO₂-LA@STF纳米凝胶，以开发一种磁共振成像（MRI）引导的自主驱动治疗纳米平台。这些纳米凝胶通过将CaO₂纳米颗粒和L-精氨酸（LA）封装在Fe³⁺交联的海藻酸钠和单宁酸中制成。这些纳米凝胶在酸性条件下会分解，释放Fe²⁺和Fe³⁺离子，从而增强MRI成像效果，并利用H₂O₂作为能量来源。通过芬顿反应生成的活性氧（ROS）将L-精氨酸氧化为一氧化氮（NO），ROS和NO的耦合产生了过氧亚硝酸盐（ONOO^?），进而表现出级联放大的细胞毒性。这种自主协同疗法导致线粒体损伤、DNA双链断裂以及细胞氧化-硝化应激增加，最终促进细胞凋亡。这些纳米凝胶在14天内被代谢，并显示出优异的生物相容性。这种自主维持的治疗纳米凝胶系统可以整合无创的MRI检测和化学动力学/气体治疗功能，从而解决恶性肿瘤治疗中的挑战。

引言

乳腺癌（BC）已成为全球女性癌症相关死亡的主要原因，其三阴性亚型表现出特别具有侵袭性的临床特征[1]。根据美国癌症协会2023年的报告，乳腺癌占所有女性癌症的31%，是十大常见癌症类型中最为普遍的恶性肿瘤[2]。目前的分类系统将乳腺癌分为四种主要分子亚型：Luminal A、Luminal B、人表皮生长因子受体2（HER2）富集型和三阴性乳腺癌（TNBC）[3]。尽管有多种治疗方法，包括手术、化疗、放疗、免疫疗法、内分泌疗法和分子靶向疗法[4,5]，但TNBC仍然面临独特的治疗挑战。TNBC占病例的10-20%，其特征是生物学行为具有侵袭性且预后最差[6]，导致手术效果不佳。具体来说，其雌激素受体（ER）阴性、孕激素受体（PR）阴性和HER2阴性表型使其对内分泌和分子靶向干预具有抗性[7]。传统化疗仍是系统治疗的基石；然而，术后辅助治疗方案的效果并不理想，5年复发率较高，这归因于残留的转移性病灶[8]。此外，传统化疗缺乏对肿瘤的特异性，经常引起血液系统毒性（如骨髓抑制）、黏膜炎症和器官功能障碍，并增加全身毒性[9,10]。鉴于这些挑战，由肿瘤微环境触发的靶向疗法作为一种有前景的策略出现，能够在肿瘤部位释放药物，减轻潜在副作用，提高治疗效果并增强治疗精度[11,12]。

自一氧化氮（NO）被发现用于心血管治疗以来[13]，气体疗法在医学研究中成为一种有前景的方法。治疗手段已扩展到多种气体传输剂，如氢气（H₂）[14]、一氧化碳（CO）[15]、硫化氢（H₂S]和氧气（O₂[17]。创新的气体疗法在抗癌治疗中受到越来越多的关注，显示出独特的优势，包括几乎不存在药物抗性、出色的生物安全性、显著的组织穿透能力以及较短的治疗周期[18]。这些气体介质直接针对恶性细胞，并重建免疫抑制的肿瘤微环境[19]。值得注意的是，一些证据强调了气体分子在调节细胞死亡途径[20]、凋亡级联[21]和抗肿瘤免疫反应[22]中的关键作用，这表明基于气体的疗法在肿瘤学中具有巨大潜力[23]。

内源性一氧化氮（NO）由内皮细胞中的一氧化氮合酶（eNOS）合成。eNOS调节血管稳态、细胞间通讯[24]并通过调节细胞氧化还原状态来协调基本生物过程[25]。矛盾的是，NO在肿瘤学背景下表现出浓度依赖性的双重效应。在50至200 nM的浓度范围内，NO可以清除活性氧（ROS），发挥抗氧化和抗炎作用[26]。相反，当NO浓度超过1 μM时，它可以引发一系列级联反应，导致氧化应激和硝化应激，进而引起DNA损伤和细胞失调[27],[28],[29],[30],[31]。NO气体疗法的固有挑战包括其极短的生物半衰期（约1秒）和有限的扩散范围（半径为40-200 μm）[32]，这需要高度精确的靶向释放。前沿研究专注于响应刺激的NO供体纳米平台，这些平台能够通过内源性微环境（如酸性、缺氧）或外源性刺激（如光照射、超声激活）触发肿瘤特异性NO释放，以实现可控的NO生产和出色的治疗效果[33],[34],[35]。

最近的治疗进展集中在具有精确释放特性的NO供体上。例如N,N′-二乙基-N,N′-二硝基-1,4-苯二胺、S-亚硝基硫醇、S-亚硝基谷胱甘肽和金属-NO配合物，这些已被用于杀菌和溶瘤治疗[36],[37],[38],[39]。作为生物安全的NO供体，内源性氨基酸L-精氨酸（LA）被认为是NO生物合成的理想前体[40]，因为它可以对肿瘤微环境（TME）中积累的H₂O₂作出反应，特异性地产生NO。由于TME具有高度氧化性，NO可以与活性氧（ROS）反应，产生强氧化性的活性氮物种（RNS）——过氧亚硝酸盐（ONOO^?），从而实现高效的抗肿瘤治疗[41,42]。在这里，H₂O₂起到开关的作用，驱动肿瘤治疗过程。尽管TME中的H₂O₂浓度高于正常组织，但仍不足以触发肿瘤细胞的凋亡[43],[44],[45]。为了克服这一障碍，预计一种结合H₂O₂和NO生成器的复合纳米平台将建立自我放大的ROS-RNS循环，实现TME响应的持续NO释放，并利用ROS和RNS的协同效应来增强抗肿瘤效果。

金属-酚类网络（MPNs）具有三维结构和pH响应特性，已成为有前景的靶向纳米载体。这些超分子结构通过酚类配体（如单宁酸、透明质酸、多巴胺）和金属离子（Fe²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺）之间的配位自发形成，无需外部能量输入，如热、电或特殊溶剂[46]。值得注意的是，MPNs中的几种多酚成分已获得FDA批准，可用于食品添加剂和医疗应用。MPNs中的金属离子具有双重功能：它们作为多酚网络的结构交联剂[47]，并实现先进的生物医学功能，包括诊断成像[48]、信号通路调节[49]和治疗干预[50]。例如，通过海藻酸钠（SA）、单宁酸（TA）和Fe³⁺离子的一锅法自组装形成的pH响应纳米凝胶系统，既具有生物安全性，又具有内在的抗菌性能[51]。此外，含铁的MPNs可用作磁共振成像（MRI）中的造影剂，用于肿瘤诊断和监测研究[52,53]。

在这里，我们成功开发了一种简单的一步合成策略，通过CaO₂、LA、SA、TA和铁离子（Fe³⁺的配位驱动自组装，制备了可注射的pH响应治疗纳米凝胶（CaO₂-LA@STF）（图1）。这些多功能纳米凝胶在TME的作用下发生降解，实现CaO₂、LA、Fe³⁺和亚铁离子（Fe²⁺的精确和同步释放。这种释放特性使得针对TNBC的成像诊断和协同治疗效果优异。在TME中，CaO₂分解产生的H₂O₂通过Fe²⁺/Fe³⁺的芬顿反应催化生成ROS，进而促进LA向NO的持续转化。随后，ROS对NO的氧化产生RNS，通过ROS/RNS的协同作用驱动肿瘤细胞凋亡。此外，生成的Fe²⁺和Fe³⁺使肿瘤的T₁加权MRI成为可能，有助于早期诊断和TNBC的治疗监测。这些合理设计的纳米凝胶完美结合了优异的靶向性、成本效益、无创图像检测和多模式治疗能力，代表了未来TNBC联合治疗临床转化的有希望的候选者。

材料

氢氧化钙（Ca(OH)₂、过氧化氢（H₂O₂）、聚乙烯吡咯烷酮-k30（PVP-k30）、L-精氨酸（LA）、海藻酸钠（SA）、单宁酸（TA）、FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O、乙酸（CH₃COOH）、无水醋酸钠、3,3′,5,5′-四甲基联苯（TMB）、对苯醌（BQ）、异丙醇（IPA）、磺胺胺、N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐、硫酸钛、羟胺盐酸盐和1,10-菲啰啉均从Macklin Biochemical购买。RPMI-1640培养基、胎牛血清（FBS）、青霉素-链霉素也用于实验。

CaO₂、STF和CaO₂-LA@STF纳米凝胶的合成与表征

CaO₂-LA@STF纳米凝胶通过包含两个连续阶段的自组装方法制备。首先，使用水解-沉淀协议合成CaO₂纳米颗粒（NPs）[54]。随后，通过原位配位驱动自组装和离子交联过程形成STF纳米凝胶，涉及Fe³⁺与SA的羧基之间的相互作用，以及Fe³⁺-TA三维网络的形成。

结论

总结来说，我们制备了可被TME激活的CaO₂-LA@STF纳米凝胶，这些纳米凝胶集成了双重诊断和治疗功能。通过将CaO₂ NPs和LA封装在Fe-TA-SA网络中，形成了对酸性敏感的STF涂层，在TME触发下释放Fe²⁺/Fe³⁺离子，从而增强MRI成像效果。同时，CaO₂ NPs的分解产生持续的H₂O₂供应，通过芬顿反应生成ROS，进一步将LA氧化为一氧化氮（NO）。由此产生的ROS-NO耦合

CRediT作者贡献声明

赵美妮：撰写——原始草案、研究、数据分析。周慧：方法学、研究。赖宗兵：研究、数据分析。崔勇：监督、资金获取。王超：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：赵美妮报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。崔勇报告获得了辽宁省科学技术厅自然科学基金的支持。王超报告获得了辽宁省教育厅自然科学基金的支持。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：22175122）、辽宁省科学技术厅自然科学基金（编号：2025-MSLH-642、2024-MSLH-424）和辽宁省教育厅自然科学基金（编号：JYTMS20231366、LJ212410163005）的财政支持。