陈智毅&陈小元JACS：基于内源性不稳定铁池的化学动力学疗法

【研究背景】

化学动力疗法（CDT）利用Fenton反应或者类Fenton反应产生高度有害的活性氧（ROS），既不依赖分子氧（O₂），也不依赖外部光源，使得其避免PDT的主要缺点（乏氧和光渗透深度），因此被认为是一种有前途的癌症治疗策略。尽管CDT技术具有巨大的治疗潜力，但仍处于起步阶段。目前，该方法的一个主要问题是使用过量的外源性Fenton类重金属（如Fe，Mn，Cu和Co等），这可能对人体健康造成潜在的不利影响，造成急性毒性或慢性毒性。作为生物系统中最丰富的过渡金属，铁在许多细胞代谢过程中起着至关重要的作用，如DNA合成、细胞周期调节和细胞增殖。细胞内有一小部分游离或松散结合的细胞内铁（II），称为不稳定铁池（LIP），具有氧化还原活性，因此具有参与细胞内Fenton型反应产生自由基的能力。然而，关于内源性LIP在基于Fenton化学的抗肿瘤CDT中的应用研究较少。

【成果简介】

近日，广州医科大学附属第三医院陈智毅教授联合美国国立卫生研究院陈小元教授提出了一种新的CDT策略：利用细胞内不稳定铁池（LIP）作为Fenton活性金属的来诱导自由基的产生。通过模拟过氧化物化合物在细胞内的代谢途径，发现R`OOH在不稳定的Fe<sup>2+</sup>存在下具有良好的自由基生成能力，并且只受到GSH/GPx的适度清除，这是其优越的化学动力学效应的原因。LIP启动了R`OOH从无毒到高毒的转变，再加上肿瘤细胞中LIP水平的增加，使肿瘤细胞的特异性及高效的CDT。此外，作者还制备了pH/不稳定Fe²⁺级联反应纳米药物，该纳米药物由包裹在pH敏感聚合物颗粒中的亚油酸甲酯和LIP增敏剂组成，以实现增强CDT。这项工作不仅为利用内源性Fenton型金属治疗肿瘤铺平了道路，而且为探索细胞内LIP激活的高效化学动力学药物提供了一个范例。该文章近日以题为“Endogenous Labile Iron Pool-Mediated Free Radical Generation for Cancer Chemodynamic Therapy”发表在知名期刊J. Am. Chem. Soc.。

【图文导读】

图一、基于LIP的CDT预测及实验探索

（a）CDT效率预测中涉及的反应示意图。

（b-c）TMB暴露于ROOR和Fe²⁺中5 min或24 h后的紫外-可见光谱。

（d-e）在有无GPx存在的情况下，不同处理后340 nm处NADPH的吸光度变化。

图二、体外ROOR诱导的不稳定铁池引发的CDT

（a）不同类型ROOR作用24小时后U87MG细胞存活率。

（b）在有无铁螯合剂DFO的体外CDT细胞毒性。

（c）用不同的R`OOH（包括t-BH、CH和MLH）治疗24小时后肿瘤细胞的存活率。

（d）不同浓度MLH作用下U87MG细胞的死/活染色图像。

图三、MLH治疗恶性肿瘤CDT的机制探讨

（a）在有无DFO存在的情况下（200 μM），用不同浓度的MLH处理的U87MG细胞的DCF荧光。

（b）C11-BODIPY^581/591染色的肿瘤细胞在有无DFO暴露4小时后的荧光图像。

图四、ROS的积累引起细胞凋亡

（a）用annexin V-FITC/PI共孵育的U87MG细胞在MLH（100 μM）和有无DFO（200 μM）作用24小时后的荧光图像。

（b）用流式细胞仪分析不同浓度MLH处理12h后肿瘤细胞凋亡。

图五、载MLH的CDT纳米材料的制备与表征

（a）在有无Era（能够增加细胞内不稳定的Fe²⁺的小分子）条件下MLH的体外CDT细胞毒性。

（b）MLH/Era负载PEG-PDPA NPs作为强化CDT纳米制剂的合成示意图。

（c）PEG-PDPA NPs在pH值为7.4（左）或5.5（右）的缓冲溶液中分散30分钟后的TEM图像。

（d）用游离PEG-PDPA NPs、MLH负载PEG-PDPA NPs或MLH/Era负载PEG-PDPA NPs处理24小时后，U87MG细胞的存活率。

（e）AO染色法显示暴露于具有酸引发分解特性的CDT纳米制剂中的U87MG细胞溶酶体破裂。

图六、CDT纳米制剂在体内肿瘤治疗中的应用

（a）静脉注射⁸⁹Zr标记的CDT纳米制剂后U87MG荷瘤小鼠全身冠状PET图像。

（b）用PET图像测量⁸⁹Zr标记CDT纳米制剂的肿瘤摄取。

（c）⁸⁹Zr标记CDT纳米制剂在注射后72小时的生物分布。

（d-e）不同实验组小鼠肿瘤生长及体重曲线。

（f）不同实验组小鼠肿瘤组织的H&E染色图像。

【结论展望】

综上所述，作者成功开发了一种新的基于LIP的CDT策略，并确定了具有最佳LIP介导CDT效率的ROOR，以及其用于制备作为可激活癌症治疗的强化化学动力学纳米制剂的用途。通过对ROOR在细胞内代谢过程的模拟，证明了R`OOH在Fe<sup>2+</sup>的作用下具有良好的自由基生成能力，而GSH/GPx系统只能适度地消除R`OOH，使其具有比其他种类ROOR更高的化学动力学效应。细胞内活性Fe²⁺介导的Fenton化学能有效地将R`OOH转化为高度有害的自由基，使其成为诱导肿瘤细胞死亡的活化CDT试剂。令人印象深刻的是，R`OOH和Era的联合应用增强了抗肿瘤的化学动力学效应。除了通过EPR效应在肿瘤组织中优先积聚外，通过将MLH和Era封装在pH敏感聚合物颗粒中制备的CDT纳米制剂能够提供具有LIP刺激的化学动力学细胞毒性的药物控释，使它们能够在体内有效抑制肿瘤生长，副作用最小。该工作促进了对ROOR细胞内代谢途径的基本理解，并为探索由内源性LIP激活的高性能CDT药物提供了一个范例。

文献链接：Endogenous Labile Iron Pool-Mediated Free Radical Generation for Cancer Chemodynamic Therapy (J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05604)

陈智毅，教授，主任医师，博士后，博士生导师，广州医科大学附属第三医院超声医学科主任、学科带头人，广医三院超声分子影像学研究室负责人，广东省产科重大疾病重点实验室PI，广东省医疗行业协会超声医学创新与发展管理分会主任委员，暨南大学兼职教授，美国Drexel University访问学者。长期致力于超声医学临床、教学和科研工作，擅长腹部、妇科、浅表器官超声诊疗，在超声分子影像学、超声介导基因转染及分子靶向技术、载基因微泡构建技术等方面有一定建树。目前为IEEE、AIU、ISUOG、RSNA等Member/Fellow，广东省医师协会超声医师分会副主任委员，广东省医疗行业协会医学影像管理分会副主任委员，广东省医学会超声医学分会委员，广州医学会超声医学分会委员，广东省医院协会医学影像中心管理专业委员会常委，中国超声工程学会浅表器官、生物学效应及超声分子影像学专委会委员，中国医学影像技术研究会腹部超声专业委员会委员，海医会超声医学专委会青年委员，教育部科研基金和科技奖励评审专家，国家自然科学基金评审专家，《Ultrasound》《Quant Imaging Med Surg》等6本国际期刊编委，30余本国际期刊的审稿专家。

陈小元，1993年和1996年分别获得南京大学化学学士和硕士学位，随后1999年获得美国爱达荷大学博士学位。经过Syracuse大学和Washington大学圣路易分校博士后训练，于2002年进入南加州大学放射学系任助理教授，2004年转入斯坦福大学，2008年升为副教授。2009年陈博士加入美国国立卫生研究院(NIH)生物医学影像及医学工程所(NIBIB)任终身资深研究员，分子影像及纳米医学实验室主任。2010，2012年获NIBIB Mentor Award, 2014年获 NIH Director’s Award。陈博士的科研方向主要涉及体外诊断，体内成像，基因/药物的纳米载体，以及诊疗一体化。ACS Nano等多家杂志的编委，Theranostics杂志的创刊主编，中美核医学及分子影像学会(CASNMMI)前任主委，中美纳米医学及纳米生物技术学会（CASNN）现任主委。

个人主页：https://www.nibib.nih.gov/about-nibib/staff/xiaoyuan-chen

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