负载在金属有机框架上的锰矿化硼酸修饰牛血清白蛋白，作为一种对pH值和GSH（谷胱甘肽）具有响应性的纳米酶，用于主动靶向药物递送

《Biomaterials Advances》：Manganese-mineralized boric acid-modified bovine serum albumin loaded on metal-organic frameworks as a pH- and GSH-responsive nanozyme for active targeted drug delivery

基于纳米酶驱动化疗动力学疗法（CDT）与化疗联用的新型药物递送系统，本研究开发出锰负载硼酸修饰的牛血清白蛋白（PBM）修饰的ZIF-8纳米材料（PBM@ZIF-8），通过靶向结合肿瘤细胞表面的唾液酸受体实现肝细胞癌（HCC）的主动靶向递送。该纳米系统具有pH和谷胱甘肽（GSH）双响应释放特性，载药率达10.34%，并可通过催化还原谷胱甘肽并产生活性氧（ROS）协同化疗药物（DOX）增强HepG2细胞毒性，体外三维HCC模型验证其高效靶向和杀癌效果。

　　

阮传达|王曦|郭浩|李宇|张宝文|魏徐曼|杨健|王蒙|田飞

中国中医现代化国家重点实验室，天津中医药大学，天津，301617，中华人民共和国

摘要

纳米酶驱动的化疗动力学疗法（CDT）与传统化疗结合使用，是克服单一化疗药物在长期治疗中因耐药性而导致的疗效不佳的有效方法。我们开发了一种负载锰的硼酸功能化牛血清白蛋白，并将其装载到沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）上，得到了具有优异药物装载能力的纳米酶PBM@ZIF-8。该纳米酶PBM@ZIF-8表现出显著的谷胱甘肽过氧化物酶样活性，多柔比星（DOX）的装载量为10.34%，并且能够实现pH值和谷胱甘肽（GSH）响应性的释放，这一释放量大约是生理条件下的三倍。随后，装载了DOX的PBM@ZIF-8（PBM@ZIF-8-DOX）通过特异性结合唾液酸受体，实现了对肝细胞癌（HCC）的主动靶向，在HCC细胞内大量积累。通过催化降低细胞内GSH水平和增加活性氧物种水平，这种纳米酶在与DOX化疗联合使用时能够有效杀死HepG2细胞。此外，我们构建了一个3D HCC微球模型，进一步验证了这些纳米粒子在体外的高靶向效率和HCC杀伤效果。

引言

肝细胞癌（HCC）是肝脏中最常见的恶性肿瘤之一，其生存率较低。

纳米酶是具有酶样特性的纳米颗粒，如谷胱甘肽过氧化物酶样（GPx样）、过氧化物酶样（POD样）、过氧化氢酶样（CAT样）和超氧化物歧化酶样（SOD样）活性，被广泛用于构建功能性纳米诊断和治疗平台[7]。其中，基于锰（Mn）的纳米酶种类繁多，包括空心二氧化锰（MnO₂）、MnO₂纳米片和单原子锰纳米酶[8],[9],[10]。基于MnO₂的纳米酶因其多种酶样活性而受到广泛关注。在肿瘤微环境（TME）中，MnO₂表现出GPx样活性，消耗癌细胞中的多余GSH并减轻GSH对活性氧（ROS）的抑制作用[11]。随后，GSH将MnO₂还原为Mn²⁺，后者催化H₂O₂转化为羟基自由基（•OH），诱导癌细胞死亡。为了暴露更多活性位点，研究人员将MnO₂装载到多巴胺聚合物和金属有机框架（MOFs）等纳米材料表面，通过GSH耗竭显著增强了ROS介导的治疗效果[12],[13]。

沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）是一种经典的沸石咪唑骨架材料，其在室温下合成速度快[14]，常用于抗癌药物的输送[15],[16],[17]。然而，适当的聚合物涂层可以减轻ZIF-8的显著细胞毒性[18],[19],[20]，同时提高其分散性和稳定性，防止药物过早泄漏[21]。牛血清白蛋白（BSA）是一种具有良好生物相容性的天然物质，与Mn²⁺有优异的结合性能[22]。研究表明，BSA是MnO₂的有效载体，BSA-MnO₂（BM）纳米酶表现出出色的生物相容性和分散性，在癌症诊断和治疗中具有显著潜力[23],[24]。然而，缺乏主动靶向的纳米载体通常使得它们在全身循环过程中难以在肿瘤部位大量积累[25]。与正常细胞相比，癌细胞上相关受体的上调是实现有效主动靶向的关键因素[26]。硼酸基团可以与癌细胞膜上过表达的唾液酸的顺式二醇结构形成硼酸酯键，从而引导纳米载体主动靶向肝癌细胞并增强化疗药物的积累[27],[28]。例如，有研究将迷迭香酸装载到用苯硼酸改性的介孔二氧化硅上，靶向肝癌细胞并实现药物的选择性积累[29]。

为了实现纳米酶与抗癌药物之间的协同效应，我们设计了一种掺锰的、3-羧基苯硼酸改性的BSA纳米酶（PBM），该纳米酶同时具有主动靶向和生物催化功能。随后将其结合到预先装载了抗癌药物的ZIF-8纳米颗粒表面，构建了PBM@ZIF-8药物输送系统。所得纳米系统能够响应肿瘤微环境中过量的谷胱甘肽和过氧化氢，生成羟基自由基以促进CDT。在酸性条件下，它还能以pH响应的方式释放抗癌药物，从而增强HepG2细胞中的药物积累。本研究提出了一种整合化疗和CDT的多功能靶向输送系统的新策略，为肝细胞癌的治疗提供了有效的方法（图1）。

材料

六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O）、2-甲基咪唑（2-Mim）、牛血清白蛋白（BSA）、3-羧基苯硼酸（3-cPBA）、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、高锰酸钾（KMnO₄、5,5'-二硫代(2-硝基苯甲酸）（DTNB）、谷胱甘肽（GSH）、亚甲蓝（MB）、过氧化氢溶液（3% H₂O₂）、多柔比星盐酸盐（DOX·HCl）、聚乙二醇tert-辛基苯醚（Triton X-100）等

纳米酶PBM和PBM@ZIF-8的制备与表征

使用¹H NMR光谱（图1a、b和c）鉴定了3-cPBA、BSA和PB的特征质子。在PB的¹H NMR谱中，位于δ = 7.89 ppm处的氢信号归属于B(OH)₂的质子。如图1d所示，FT-IR分析显示3-cPBA谱中1361 cm^?1处的吸收峰对应于BO键的伸缩振动。与BSA相比，PB谱中的酰胺I和酰胺II带的吸收峰红移至1654 cm^?1

结论

总之，我们开发了一种具有主动靶向能力的纳米酶PBM@ZIF-8，可用于装载多柔比星（DOX）以对抗HCC。PBM@ZIF-8纳米酶具有负电荷表面、优异的水分散性和均匀的粒径。ZIF-8凭借其高孔隙率和稳定的框架结构，能够高效装载多柔比星（DOX）并实现pH响应性释放。此外，体外催化实验和细胞研究表明PBM@ZIF-8具有强GPx样活性

CRediT作者贡献声明

阮传达：撰写——原始草案、形式分析、概念构思。王曦：撰写——审阅与编辑、方法学、实验研究。郭浩：实验研究、数据管理。李宇：方法学、数据管理。张宝文：形式分析、数据管理。魏徐曼：数据管理。杨健：监督、资源协调。王蒙：撰写——审阅与编辑、资金筹集。田飞：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了天津市卫生健康委员会（编号：2025023；2025051）和现代中药生产力技术创新专项（编号：24ZXZKSY00010）的支持。