综述:H2O2响应材料在肿瘤光动力治疗中的最新进展

Peroxide Responsive Materials for Cancer Photodynamic Therapy

Nan Yang, Wanyue Xiao, Xuejiao Song*, Wenjun Wang, Xiaochen Dong*
Nano-Micro Lett.(2020)12:15
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0347-0
本文亮点

1 概述了各种纳米材料与内源性H2O2反应机理
2 综述了多种在PDT中对H2O2响应的纳米材料的设计和应用
3 展望了用于PDT的H2O2响应纳米材料的开发,前景以及临床应用。
内容简介

南京工业大学宋雪娇和董晓臣教授在本综述中详细介绍了光动力疗法,包括传统光动力疗法的临床应用,发展和局限性;着重阐述了H2O2在病理生理过程(尤其是肿瘤学)中的重要性,以及适用于光动力疗法的各种无机和有机材料的详细介绍。通过应用实例对过氧化氢响应材料未来的研究方向提出了一些潜在挑战与个人展望。

研究背景

癌症已经成为威胁人类健康的主要疾病之一。与传统的化疗和放疗相比,光动力疗法(PDT)已经显示出独特的优势,包括高选择性,微创,可控性,可重复性,副作用少和药物耐受性低等独特优势。然而,由于异质性肿瘤细胞生长和血管功能失调引起的肿瘤缺氧,PDT在癌症治疗中的效率始终受到限制。过氧化氢(H2O2)是肿瘤中的主要活性氧(ROS),它也是细胞生长,增殖和衰老在内的各种生理过程中的关键信号分子。与正常组织相比,肿瘤内双氧水的含量往往更高。这个特点为肿瘤治疗提供了更多的策略:一方面,肿瘤内源性H2O2可被催化分解以原位产生氧气(O2),从而解决乏氧问题;另一方面,含有H2O2特异性化学键的纳米材料可以实现肿瘤微环境(TME)响应疗法。据此,H2O2具有作为内部响应刺激的巨大潜力,基于H2O2响应的纳米材料的开发可以提高癌症的治疗效率并促进PDT在临床上的发展。

图文导读

I H2O2响应性无机材料

本部分介绍了用于增强癌症治疗中靶向外部和内部刺激的各种无机材料。着重介绍了基于各种无机材料的H2O2响应的反应机理以及各种对H2O2响应的无机纳米材料在光动力疗法中的设计和应用。

1.1 锰基材料

Mn基材料是H2O2响应系统中最常用的无机材料,由于它们对H2O2的高反应性,可以充当H2O2驱动的增氧剂,从而增加光动力疗法中的氧气浓度最终促进光动力疗法的疗效。这些都是基于锰基材料对H2O2的氧化还原活性和理化特性来实现的。例如,Nie的小组开发了一种光敏的卟啉Zr-MOF(PCN-224)纳米结构,该结构中载有血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)抑制剂并涂有MnO2层(aMMTm,图1a)。靶向肿瘤的aMMTm NPs可以用作药物传递载体,而MnO2层可以降低肿瘤内谷胱甘肽(GSH)水平。体外和体内实验均显示出aMMTm NPs极好的抗癌效果(图1b)。最重要的是,基于锰的纳米材料不仅在TME的酸性条件下特异性触发内源性H2O2分解,而且还中和了过量的GSH,使其具有与其他疗法进一步整合的巨大潜力。

图1 (a)通过载药,MnO2涂层和肿瘤细胞膜修饰构建卟啉金属-有机骨架纳米粒子aMMTm;(b)aMMTm在小鼠肿瘤模型中的作用机制。
1.2 锰基材料
金基材料已被广泛用于触发光敏剂,以基于发光共振能量转移效应或通过由于表面等离振子共振吸收热量到H2O2来提高单线态氧的量子产率,从而提高光动力疗法的效率。此外,它们因具有出色的热吸收性能和导热性而通常用作光热剂。Lin研究小组报道了有关金基材料对H2O2响应光疗的最新研究。他们成功地获得了胺封端的PAMAM树状聚合物封装的金纳米簇(AuNCs-NH2,图2a)。AuNCs-NH2通过在酸性TME中通过过氧化氢酶样活性与H2O2反应来触发制氧。提出的机理是树枝状大分子的叔胺在酸性TME中很容易质子化。质子化产物促进·OH在金属表面上的预吸附,从而促进固有的过氧化氢酶样反应。在该平台上使用原卟啉IX(PpIX),AuNCs-NH2通过过氧化氢酶样反应产生的氧气可以进一步转化为1O2,从而在一定程度上提高光动力治疗效率(图2b)。

图2 (a)AuNCs的酶样活性示意图;(b)通过AuNCs-NH2的过氧化氢酶活性,将传统PDT与自给的O2结合的简单策略导致1O2和O2•-生成量增加。

1.3 铂基材料

具有过氧化氢酶样活性的纳米材料中的Pt成分可通过催化H2O2分解而有效地产生O2。与光敏剂结合后,由于生成O2,Pt基纳米材料将获得更高的光动力治疗效率。基于Pt的核-壳纳米平台(Pda-Pt @ PCN-FA)被开发用于通过产生氧气来增强PDT(图3)。将多巴胺核心与H2PtCl6混合,将其用作名为Pda-Pt的基于Pt的中间层。然后,将其掺入锆-卟啉(PCN)壳中,并与靶向配体叶酸(FA)固定在一起,以增强肿瘤积累和理想的治疗效果。

图3 核壳纳米工厂用于增强肿瘤治疗的示意图。

1.4 铁基材料

Fe(II)/ Fe(III)掺杂材料已被证明是一种新型的ROS直接生成平台,可以通过Fenton反应与H2O2反应。此外,铁基纳米材料已被用作磁共振成像对比药物和磁性热疗药物具有高度松弛性和出色的对比度增强功能。因此,这些特性使它们成为增强光疗,尤其是光动力疗法的优先选择。

1.5 铜基材料

铜基材料已通过Cu-Fenton反应在弱酸性肿瘤微环境中被证明具有高催化活性和特异性的新型纳米制剂。铜基H2O2响应材料可产生羟基自由基或单线态氧通过诱导癌细胞凋亡。更重要的是,大多数生物氢过氧化物都可以通过ROS的过氧化直接产生,这可以替代依赖于氧气的光动力剂。

II H2O2响应性有机材料

有机材料是具有良好的生物相容性,最小的细胞毒性,易于化学修饰且在生物系统中具有良好的排泄药代动力学特性的理想的癌症光疗药物。有机材料的H2O2响应特性具有特定的官能团或第六个主族元素键草酸芳基酯键(-ococoo-),硫键(-s-),硒键(-se-),碲键(-Te-)或硼酸键

2.1 芳基硼酸酯基材料

芳基硼酸及其酯广泛用于通过H2O2响应的光动力疗法领域。在病理条件下,它们可以被氧化应激的H2O2裂解并被光触发。Kuang和他的同事是基于H2O2活化的芳基硼酸酯设计氮芥子气前药的先驱,后者可以被癌细胞中高水平的H2O2激活。这些试剂由两个功能域组成:H2O2受体部分和细胞毒性效应子。当用H2O2触发芳基硼酸酯时,释放氮芥末可以显着提高细胞毒性。两者都直接将ROS产生剂传递给肿瘤组织并通过破坏癌细胞中的氧化还原平衡来抑制抗氧化剂系统,这可以显着提高ROS介导的癌细胞杀伤效率。

2.2 第六组主族元素基基材料

第六个主族元素均为负电性,因此很容易失去其最外层的电子而被氧化。尤其是C-Se,Se-Se,CS,SS,C-Te和Te-Te的键能都低于300 kJ·mol-1,这使得第六主族元素基剂在高水平下更敏感。基于此,基于主族元素的材料特别适用于H2O2响应系统,以实现理想的光动力治疗功效。

3. 总结与展望

我们综述了最近的H2O2响应性无机材料和有机材料,用于增强癌症的光动力疗法。我们坚信通过H2O2响应材料增强的癌症光动力疗法在癌症治疗中具有巨大潜力。更重要的是,迫切需要对上述材料进行进一步的改良,这将使这些材料更适用于生物医学领域。

作者简介

董晓臣

本文通讯作者

南京工业大学

教授、博士生导师

主要研究领域
主要从事柔性电子材料及器件研究

主要研究成果

国家杰出青年科学基金获得者,国家“万人计划”创新领军人才。以通讯作者和第一作者在Advanced Materials,ACS Nano,Chemical Society Reviews等国际期刊发表SCI论文200多篇,他引14000多次,单篇最高引用1300多次。荣获江苏省科学技术一、二等奖(2017年,2019年)各一项,教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖一项,入选科学中国人2016年度人物及2019年全球高被引科学家。

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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