合成一种具有类酶特性的纳米级MOF Co-DTDP,用于化学动力学治疗

《Journal of Molecular Structure》:Synthesis of a Nano-Scaled MOF Co-DTDP with Enzyme-like Properties for Chemodynamic Therapy

【字体: 时间:2026年02月21日 来源:Journal of Molecular Structure 4.7

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  金属有机框架材料Mn@Nano Co-DTDP通过钴离子与DTDP配体的结合及锰掺杂,同时具备过氧化氢酶(POD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSHOx)模拟活性,可催化肿瘤微环境中H?O?生成高毒性活性氧(ROS),并耗竭GSH以协同增强化学动力学治疗效果。

  
桑丽媛|于红柳|卢洪|王冰|林文新|胡泉
中国-乌兹别克斯坦先进多孔材料联合实验室,生物基纤维材料国家重点实验室,浙江科技学院材料科学与工程学院,杭州,310018,中华人民共和国。

摘要

具有酶样活性的材料可以催化肿瘤微环境中过量的过氧化氢(H?O?),生成高毒性的活性氧(ROS),从而用于肿瘤治疗。通过钴离子(Co2?)与有机配体2,2′-二硫吡啶(DTDP)的配位作用,成功设计并合成了纳米级金属有机框架(MOF),该配体对谷胱甘肽(GSH)敏感。合成的Nano Co-DTDP表现出双重酶模拟活性,既可作为过氧化物酶(POD)的模拟物,也可作为谷胱甘肽过氧化物酶(GSHOx)的模拟物。它高效地催化H?O?的分解,生成ROS,同时促进GSH的消耗。此外,将Mn2?引入该框架中,形成Mn@Nano Co-DTDP,增强了其生成活性氧的能力,从而提高了化学动力学治疗效果。本研究为酶模拟MOFs的结构-性能关系提供了基础见解,突显了其在生物医学应用中的潜力。

引言

天然酶是一种天然催化剂[1,2],但它存在成本高、保存困难以及应用条件苛刻等缺点,这限制了其实用性[3,4]。相比之下,具有酶样活性的合成材料,如氧化酶样(OXD样)活性、过氧化物酶样(POD样)活性和谷胱甘肽过氧化物酶样(GSHOX样)活性,具有潜在的优势,包括降低制备成本、提高催化效率以及改善储存稳定性[[5], [6], [7]]。
近年来,研究人员对用于生物医学应用的酶样材料表现出浓厚的兴趣[8,9]。赵等人将具有多种酶样活性的MnOx负载到BiOCl NSs表面,形成了异质结。这种材料不仅能还原谷胱甘肽(GSH),还能在超声照射下促进活性氧(ROS)的生成,表现出CAT样、OXD样和POD样活性[10]。钟等人设计的单原子铜纳米酶(Cu-NC)在施加20 V电刺激后,显著增强了酶样活性,从而促进了自由基的生成[11]。朱等人设计了一种可生物降解的PEGylated CuxMnySz(PCMS),能够促进肿瘤微环境(TME)中的中间体共催化反应,表现出CAT样、OXD样和GSHOX样活性。更重要的是,PCMS在NIR-II 1064 nm激光照射下表现出显著的光热效应,进一步增强了肿瘤中的化学动力学治疗(CDT)效果[12]。
金属有机框架(MOFs)是一类具有可调结构和可调控尺寸的多孔晶体材料[[13], [14], [15]]。通过合理设计,例如选择金属节点和特征配体,可以使MOFs具备酶样活性,用于肿瘤治疗[16,17]。徐等人构建了Mn-MOF,它通过CAT样活性和GSHOX样活性催化CAT-2反应,促进ROS的生成并诱导铁死亡[18]。李等人将Pd封装到Cu-MOF中,使其表现出POD样活性,生成ROS[19]。张等人将光敏剂Ce6加载到HMPB纳米颗粒中,提高了光热能力和温度依赖的CAT样活性,缓解了肿瘤缺氧[20]。
化学动力学治疗利用Fenton-/Fenton样试剂(Fe2?、Co2?、Mn2?、Cu2?)在肿瘤微环境中生成过氧化氢(H?O?),从而诱导高毒性的ROS,导致肿瘤细胞死亡[[21], [22], [23]]。李及其同事报道了在MOF载体中稳定的纳米酶,用于癌症的化学动力学治疗。例如,Cu-Pd@MIL-101-PEG(CPMP)合金负载量为9.5 wt%,表现出最高的POD样和SOD样活性,以及GSH的消耗作用[24]。赵等人开发了一种名为MXM的混合材料,结合了Ti?C? MXene和Fe金属有机框架(Fe-MOFs),表现出POD样活性。这种混合材料利用近红外局域表面等离子体共振(NIR LSPR)的协同效应,增强了CDT和光热治疗(PTT)[25]。因此,利用具有酶样活性的金属节点的Fenton-/Fenton样特性来构建MOFs,可以促进CDT作为抗癌剂的实际应用[[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。
在本研究中,选择具有Fenton样活性的钴离子作为金属节点,与对谷胱甘肽敏感的配体DTDP结合,并通过搅拌反应加载Mn离子,构建了金属有机框架纳米材料Mn@Nano Co-DTDP。在该系统中,DTDP配体中的二硫键在高浓度GSH环境中断裂,消耗了GSH,削弱了细胞的抗氧化防御机制,同时促进了Co2?/Mn2?离子的释放。这些释放的离子催化H?O?转化为高毒性的活性氧(ROS)。生成的ROS有效积累,导致氧化损伤。此外,材料本身具有的GSHOx样和POD样活性持续消耗GSH并分解H?O?,进一步加剧了氧化应激。引入Mn2?显著提高了Fenton样反应的效率,从而增加了ROS的生成和细胞毒性,最终增强了化学动力学治疗(CDT)的效果。

材料与仪器

所有化学试剂和溶剂均来自商业渠道,无需进一步纯化即可使用。CoCl?•6H?O、MnCl?、亚甲蓝和碳酸氢钠(NaHCO?)购自Macklin(上海,中国)。4,4′-二吡啶二硫化物(DTDP)、p-苯醌(BQ)、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)和谷胱甘肽(GSH)购自Zesheng Technology(安徽,中国)。O-苯二胺(OPD)购自Kemiou Chemical Reagent(天津,中国)。DMF、乙醇等也用于实验。

晶体表征

为了研究晶体结构,进行了单晶X射线衍射分析。根据数据,每个Co-DTDP晶胞包含四个钴离子、四个配体分子和八个Cl原子。如图1a所示,钴离子与四个周围配体的N原子和两个Cl原子相连,形成六配位结构。如图1c所示,Cl原子通过相互作用建立了层间键合。

结论

通过钴离子和具有化学动力学效应及对GSH敏感的配体DTDP合成了金属有机框架Nano Co-DTDP。将具有有效Fenton样效应的锰离子引入Nano Co-DTDP中,表现出强烈的POD样活性,能够催化H?O?的氧化并生成高细胞毒性的ROS,实现肿瘤微环境中的化学动力学治疗。同时,它还消耗内源性GSH,杀死癌细胞并增强化学动力学治疗效果。
支持信息
材料的晶体学数据、FT-IR光谱、TGA以及与TMB和OPD反应的UV/Vis吸收光谱。

作者信息

通讯作者
林文新 - 中国-乌兹别克斯坦先进多孔材料联合实验室,生物基纤维材料国家重点实验室,浙江科技学院材料科学与工程学院,杭州,310018,中华人民共和国。电子邮件:linwx@zstu.edu.cn。
胡泉 - 杭州师范大学药学院,杭州,311121,中华人民共和国。电子邮件:huq0203@163.com。

作者

桑丽媛 - 中国-乌兹别克斯坦先进多孔材料联合实验室,生物基纤维材料国家重点实验室,浙江科技学院材料科学与工程学院,杭州,310018,中华人民共和国。
于红柳 - 中国-乌兹别克斯坦先进多孔材料联合实验室,生物基纤维材料国家重点实验室,浙江科技学院材料科学与工程学院,杭州,310018,中华人民共和国。
卢洪 - 中国-乌兹别克斯坦联合...

作者贡献

于红柳:研究、数据整理、正式分析、初稿撰写。桑丽媛:数据整理、初稿撰写。卢洪:数据整理。王冰:资源提供。林文新:概念构思、撰写-审稿与编辑、资源提供。胡泉:撰写-审稿与编辑、资源提供。

资助来源

国家自然科学基金(编号52272274)、浙江省自然科学基金(编号LMS26E020009)以及杭州师范大学跨学科研究项目(2024JCXK02)。
注释
作者声明没有竞争性财务利益。
CRediT作者贡献声明
桑丽媛:撰写-审稿与编辑、研究。
于红柳:研究、正式分析、数据整理。
卢洪:研究。
王冰:资源提供。
林文新:撰写-审稿与编辑、资源提供、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金(编号52272274)、浙江省自然科学基金(编号LMS26E020009)以及杭州师范大学跨学科研究项目(2024JCXK02)对这项工作的财政支持。
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