Adv. Funct. Mater. 自给氧气仿生纳米平台用于高精准光动力治疗

【引言】

光动力治疗是一种对恶性肿瘤很有希望的治疗方法，它被用于治疗皮肤癌，也被发展使用近红外光进行激发，从而实现深入组织的治疗。但由于肿瘤部位的乏氧性，不利于光动力治疗的有效实施。此外，纳米材料的生物医学应用还受困于其靶向性。

【成果简介】

最近武汉大学的张先正（通讯作者）等人设计了一种氧气自给予仿生细胞的纳米复合材料 CAT-PS-ZIF@ Mem（见[注]）。由于癌细胞膜的同源靶向作用，CAT-PS-ZIF@Mem 被静脉注射到体内，选择性的积累在肿瘤位置，并被肿瘤有效的摄取。细胞内的H2O2渗透到这个多孔材料的骨架中，被过氧化氢酶CAT催化，在乏氧的肿瘤处产生O2，促进单线态氧的产生，在近红外光的照射下实现光动力治疗。通过结合免疫和细胞同源识别，以及氧气自给予，实现了高靶向性和高效的光动力治疗，大大减少了对周围正常组织的伤害。

[注]Mem: 癌细胞膜；ZIF-8：类似于细胞骨架的多孔沸石咪唑骨架，并嵌入过氧化氢酶CAT光敏剂AlPcS4。

【图文导读】

图1 基于纳米金属-有机骨架NMOF骨架的类细胞的仿生平台用于靶向光动力治疗（PDT）

（a）CAT-PS-ZIF@Mem的合成。

（b）纳米材料CAT-PS-ZIF@Mem通过静脉注入后，经血液循环选择性的积累在肿瘤部位。

（c）在近红外光照射下，同源靶向的纳米材料CAT-PS-ZIF-Mem在肿瘤组织处积累并高效地实现光动力治疗。

图2 CAT-PS-ZIF@Mem 材料的表征

（a）CAT-PS-ZIF@Mem 形貌SEM和TEM图片

（b）CAT-PS-ZIF@Mem 纳米球的高分辨透射电镜

（c）CAT-PS-ZIF@Mem 在培养基中孵育24h后的SEM和TEM图片

（d）CAT-PS-ZIF@Mem 和在培养基中孵育后的CAT-PS-ZIF@Mem 的XRD

（e）Hale 细胞细胞膜，CAT-PS-ZIF，CAT-PS-ZIF@Mem的SDS-PAGE蛋白分析

图3 细胞内ROS的检测

（a）细胞与Vc，DCFH-DA共同孵育后，细胞内的ROS的荧光检测。

（b）细胞和DCFH-DA共同孵育后，细胞内的ROS的荧光检测

（c）细胞和CAT-PS-ZIF@Mem和DCFH-DA共同孵育后，细胞内的ROS的荧光检测

（d）细胞和CAT-PS-ZIF@Mem 和DCFH-DA共同孵育后，细胞内的ROS的荧光检测

(A1)-(D1)为DCF的荧光（绿色）,反映细胞内的ROS；(A2)-(D2)为明场；(A3)-(D3)默置的图片。

图4 CAT-PS-ZIF@Mem在不同细胞内的摄取对比

（a）Hela细胞内对CAT-PS-ZIF@Mem的摄取

（b）COS7细胞内对CAT-PS-ZIF@Mem的摄取。A1，B1为染料Hoechst33342的蓝色荧光；A2,B2为AlPcS4的红色荧光；A3,B3为明场；A4,B4为默置图片。
（c） Hela（green）细胞和COS7(orange)细胞内的CAT-PS-ZIF@Mem

（d）流式细胞仪对应的MFI 值分析

图5 巨噬细胞对CAT-PS-ZIF@Mem和CAT-PS-ZIF的细胞内摄取

(A)巨噬细胞对CAT-PS-ZIF@Mem 细胞内摄取情况的成像

(B)巨噬细胞对 CAT-PS-ZIF的细胞内摄取情况的成像。A1，B1为染料Hoechst33342的蓝色荧光；A2,B2为AlPcS4的红色荧光；A3,B3为明场；A4,B4为默置图片。

(C)被巨噬细胞摄取的CAT-PS-ZIF@Mem （蓝色）细胞和CAT-PS-ZIF（橘色）没有做任何处理的细胞 (红色) 控制组

(D)流式细胞仪对应的MFI 值分析

图6 治疗后对细胞凋亡的观察

（a）只对细胞进行光辐照，观察细胞的凋亡状态。

（b）仅对细胞与CAT-PS-ZIF@Mem共同孵育，观察细胞的凋亡状态。

（c）仅对细胞与PS-ZIF@Mem共同孵育，观察细胞的凋亡状态。

（d）对细胞与PS-ZIF@Mem共同孵育并进行光辐照，观察细胞的凋亡状态。

（e）对细胞与CAT-PS-ZIF@Mem共同孵育并进行光辐照，观察细胞的凋亡状态。（A1）-(E1) 联膜蛋白V标记的FITC染色，表征凋亡细胞。（A2）-（E2）明场；（A3）-（E3）默置

图7 细胞凋亡时期分布对比

（a）在不同的治疗下，Hela细胞凋亡状况的流式分析

（b）早期凋亡细胞的百分比分析

（c）晚期凋亡细胞的百分比分析

（d）治疗后死亡细胞的百分比

图8 CAT-PS-ZIF和CAT-PS-ZIF@Mem的细胞毒性

（a）Hela细胞，与CAT-PS-ZIF孵育。黑色为没有光照，灰色为光照

（b）COS7细胞，与CAT-PS-ZIF孵育。黑色为没有光照，灰色为光照

（c）Hela细胞，与CAT-PS-ZIF@Mem孵育。黑色为没有光照，灰色为光照

（d）COS7细胞，与CAT-PS-ZIF@Mem孵育。黑色为没有光照，灰色为光照

图9 小鼠不同位置的肿瘤组织的展示

（a）对种瘤小鼠仅注射PBS缓冲液

（b）静脉注射PS-ZIF@Mem

（c）静脉注射CAT-PS-ZIF@Mem。 A1-C1为染料DAPI的红色；A2-C2为HIF-1α抗体(检测低氧)的免疫荧光染色；A3-C3为默置图片。

图10 实验鼠静脉注射后，生物活体成像及器官的体外成像

（a）静脉注射CAT-PS-ZIF@Mem，随着孵育时间，活体成像的变化。 A1为孵育0h,A2为孵育1h,A3孵育4h，A4孵育6h，A5孵育8h，A6孵育24h，A7孵育48h，A8孵育72h。A9为为孵育72h后补充注射药物，对各个器官进行体外成像。

（b）静脉注射CAT-PS-ZIF,B1为孵育0h,B2为孵育1h,B3孵育4h，B4孵育6h，B5孵育8h，B6孵育24h，B7孵育48h，B8孵育72h，B9为孵育72h后补充注射药物，对各个器官进行体外成像。

（c）药物注射72h后，实验鼠各器官对应的MFI值。

（d）血液中CAT-PS-ZIF@Mem和CAT-PS-ZIF的浓度随着循环时间的变化。

图11 在活体中静脉注射抗癌研究

（a）注射药物22天后， 小鼠不同位置肿瘤情况的照片

（b）注入不同治疗药物并进行光照治疗后，不同位置肿瘤体积随着时间的变化

（c）小鼠体重的变化

（d）肿瘤治疗的变化

（e）通过免疫印迹法，对肿瘤中Caspase-3和Bcl-2蛋白表达的分析

（f）Caspase-3和Bcl-2蛋白表达定量分析

（g）不同治疗后，对小鼠的GPT和AST的血清水平分析

（h）不同位置肿瘤组织的组织切片（通过H＆E染色）

【小结与展望】

基于沸石ZIF-8纳米球合成的仿生氧气自给予的纳米平台，可以用于活体中高效精准的肿瘤治疗。 这个体系由于其表面的癌细胞膜的同源作用，即使在静脉注射下，也可以逃逸免疫并有效的到达肿瘤组织。这个独特的纳米材料的仿生制备方法，期待被用于构造更多多功能的仿生平台，可以应用于癌症精准诊疗。

文献链接：An O2 Self-Sufficient Biomimetic Nanoplatform for Highly Specific and Efficient Photodynamic Therapy（Adv. Fuct. Mater.,2016,DOI: 10.1002/adfm.201603212）

本文由材料人生物材料小组许红威供稿，材料牛编辑整理。

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