通过多重相互作用进行优化的超分子纳米放大器打破了肿瘤内的氧化还原平衡，从而增强了光动力介导的免疫细胞死亡效应

《Nano Today》：Multiple interactions-tuned supramolecular nanoamplifier breaks the intratumoral redox homeostasis for potentiating photodynamic-mediated immunogenic cell death

　　

刘伟|袁志仁|顾银龙|席琦|何忠贵|姬钊|孙进|刘福南|尹南昌

中国医科大学第一医院外科肿瘤学与普通外科部门，教育部中国医科大学胃肠肿瘤精准诊断与治疗重点实验室，中国辽宁省沈阳市110001

摘要

调节肿瘤内的氧化还原稳态对于利用活性氧（ROS）实现抗肿瘤效果的治疗策略来说是一个重大挑战。破坏肿瘤内ROS与抗氧化防御之间的微妙平衡会增加肿瘤对基于ROS的癌症治疗的敏感性。在这项研究中，通过光敏剂5,10,15,20-四（4-氨基苯基）卟啉（TAPP）和二氧化锰纳米酶（MnO₂）与还原响应型抗癌药物载体聚α-硫辛酸（PαLA）的共组装，利用静电吸附和金属配位相互作用，开发出了一种超分子纳米放大器PαLA@TAPP-MnO₂。这种纳米放大器能够被肿瘤细胞有效内化，并在细胞内谷胱甘肽（GSH）水平升高时释放其治疗载荷。MnO₂成分能够消耗GSH并生成羟基自由基（^•OH），与TAPP介导的光动力疗法协同作用，进一步加剧细胞内的氧化还原失衡。体内研究表明，这种纳米放大器显著增强了抗肿瘤效果，同时促进了光动力疗法诱导的免疫原性细胞死亡。总体而言，本文介绍的超分子纳米放大器通过调节肿瘤内的氧化还原稳态，为设计抗癌纳米药物提供了一种新策略。

引言

氧化应激通过诱导恶性细胞内的细胞毒性活性氧（ROS）而成为一种独特的抗癌策略[1]，[2]。活性氧（ROS）包括具有不同反应性和细胞毒性的多种分子。超氧阴离子会破坏氧化还原平衡，随后转化为相对稳定且易扩散的过氧化氢（H?O?）。在过渡金属的存在下，H?O?会发生类似芬顿反应，生成高活性的羟基自由基（^•OH），导致广泛的生物分子损伤。单线态氧还会进一步诱导脂质和蛋白质氧化[3]，[4]，[5]，[6]。这些ROS共同导致氧化应激，并促进肿瘤细胞中的免疫原性细胞死亡（ICD）。值得注意的是，ROS在肿瘤中具有双重作用：低至中等的ROS水平对细胞增殖、转移和信号传导至关重要，而过量的ROS，尤其是超过细胞毒性阈值时，会触发癌细胞死亡[7]，[8]。传统方法，包括化学动力学疗法、声动力疗法、放射疗法和光动力疗法（PDT），都已知会产生ROS[9]，[10]，[11]，[12]。PDT通过激光照射激活光敏剂来产生细胞毒性ROS[13]。此外，PDT过程中产生的ROS还会引发内质网（ER）应激和钙网蛋白暴露，从而促使肿瘤细胞发生ICD[14]。经历ICD的肿瘤细胞会产生新的抗原表位并释放损伤相关分子模式（DAMPs），这些分子模式可作为辅助信号。这些信号刺激树突状细胞（DC）的成熟，并增强T细胞的招募和激活，有助于清除残留的肿瘤细胞[15]，[16]。

然而，ROS诱导的氧化应激会被增强的抗氧化防御机制所抵消[17]。肿瘤细胞调节各种抗氧化系统来控制ROS水平，防止过度氧化应激造成的损伤，限制ROS的积累，并对抗基于ROS的疗法产生抗性[18]。维持ROS与抗氧化剂之间的微妙平衡对于保持肿瘤细胞内的氧化还原稳态至关重要[19]。细胞内抗氧化剂可分为酶促和非酶促两类。酶促抗氧化剂包括过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和各种过氧化物酶，而非酶促抗氧化剂主要包括还原型谷胱甘肽（GSH）、生育酚和抗坏血酸[20]。GSH是主要的细胞抗氧化剂，在中和ROS方面起着关键作用[21]。其耗竭会降低ROS的清除能力，导致ROS积累增加。这种肿瘤内氧化还原平衡的破坏使肿瘤生长对氧化应激更加敏感，从而增强了基于ROS的治疗效果[22]，[23]。

最近，基于MnO₂的纳米材料被广泛用于提高PDT的效果，主要是通过催化H?O?分解生成氧气。虽然这些策略增加了氧气的可用性，但它们通常依赖于简单的物理封装或被动装载，这常常导致在循环中的“过早泄漏”和治疗效果不佳。与这些传统方法不同，本研究引入了一种超分子组装策略。通过协同整合静电吸引、金属配位和疏水相互作用，我们实现了一种精密设计的纳米放大器，确保了TAPP和MnO₂在纳米颗粒结构中的空间优化（图1）。这种坚固的结构完整性使系统在血液循环过程中具有出色的稳定性，同时能够在肿瘤微环境中实现“爆发”式释放。因此，这种精密控制的系统不仅补充氧气，还通过同时消耗GSH和放大ROS的生成，最大限度地破坏肿瘤内的氧化还原稳态，最终增强ICD的效果。纳米放大器PαLA@TAPP-MnO₂是通过将光敏剂5,10,15,20-四（4-氨基苯基）卟啉（TAPP）和二氧化锰纳米酶（MnO₂）封装在含有二硫键的聚α-硫辛酸（PαLA）中构建的，这使得药物能够选择性地释放到肿瘤中，并通过静电吸附和金属配位与TAPP和MnO₂紧密相互作用[24]，[25]。为了提高亲水性和胶体稳定性，加入了适量的1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-2000]（DSPE-PEG₂₀₀₀）。PEG化的纳米放大器在静脉注射后表现出显著的肿瘤积累效应。TAPP与MnO₂协同作用，促进了GSH的消耗，显著增加了肿瘤细胞内的ROS水平。细胞内氧化还原稳态的破坏引发了强烈的ICD和显著的抗癌效果。增强的ICD进一步促进了DC的成熟和CD8⁺ T细胞的浸润，引发了强烈的抗肿瘤免疫反应。总体而言，这项研究提出了一种结合氧化还原破坏、ROS放大和免疫激活的集成策略，为设计先进的癌症治疗纳米药物提供了新的见解。

章节片段

材料

TAPP从Bide Pharmatech有限公司（中国上海）获得。DSPE-PEG₂₀₀₀从上海AVT Pharmaceutical Technology有限公司（中国上海）购买。α-LA、DTT和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）从Aladdin Bio-Chem Technology有限公司（中国上海）购买。胎牛血清（FBS）从Gibco, Invitrogen Corp.（美国）获得。ROS探针DCFH-DA、DAPI、Annexin V-FITC/PI凋亡试剂盒、活死细胞染色试剂盒、青霉素-链霉素以及Roswell Park

超分子纳米放大器的构建与表征

PαLA@TAPP-MnO₂的合成过程如图2A所示。α-硫辛酸（α-LA）是一种天然存在的分子，在热、紫外线或（水）蒸发条件下能够发生动态环开聚合[26]，[27]。为了合成α-硫辛酸聚合物（PαLA），α-LA单体在80 °C下进行环开聚合2小时（图2B）。二硫烷的紫外-可见（UV–vis）吸收光谱在330 nm处显示出一个特征峰[28]

结论

总之，通过整合TAPP光敏剂和MnO₂纳米酶，成功开发出了一种由多种相互作用调控的超分子纳米放大器PαLA@TAPP-MnO₂。这种纳米放大器为高效肿瘤积累和在GSH水平升高的癌细胞中的选择性细胞内释放提供了有前景的平台。激光照射后，PαLA@TAPP-MnO₂通过促进ROS的生成来破坏肿瘤内的氧化还原稳态。由此产生的氧化应激增加了肿瘤

CRediT作者贡献声明

刘伟：项目管理、方法学、数据管理。袁志仁：软件开发、概念构思。顾银龙：实验研究、数据分析。席琦：数据可视化、数据管理。何忠贵：项目管理、实验研究。王欣：软件开发、方法学、数据分析。姬钊：初稿撰写、数据管理。孙进：初稿撰写、软件开发、数据分析、概念构思。尹南昌：审稿与编辑、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了辽宁省教育厅（LJKMZ 20221235）和锦州医科大学第一附属医院科学研究骨干培训计划（FYKRGG?202306）的支持。