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中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

导读: 纳米材料在人体内可完成突变基因的修复、捕杀癌细胞与侵入人体的细菌和病毒、适时释放药物和人体所需的微量物质等。纳米材料在肿瘤治疗方面有着极其重要的应用,具有巨大的潜在价值。

【引言】

纳米生物医学是逐步发展起来的新兴科技领域,由于纳米材料尺度在0.1—100 nm之间,特别适合分子水平的操作。纳米材料在人体内可完成突变基因的修复、捕杀癌细胞与侵入人体的细菌和病毒、适时释放药物和人体所需的微量物质等。纳米材料在肿瘤治疗方面有着极其重要的应用,具有巨大的潜在价值。

【成果简介】

近日,中科院上海硅酸盐研究所的施剑林和陈雨(共同通讯)等人将天然葡萄糖氧化酶(GOD,酶催化剂)和超小Fe3O4纳米颗粒(无机纳米酶催化剂)负载到可降解的大孔枝状二氧化硅纳米粒子(DMSN)中制备出可连锁作用的纳米催化剂GOD-Fe3O4@DMSN(GFD NCs),并将该具有良好生物相容性的无毒纳米催化剂输送到肿瘤部位,在肿瘤微环境过剩的葡萄糖营养以及微酸性代谢性环境的刺激下,原位转化成对肿瘤细胞有高效毒性的活性氧物种-羟基自由基,进而引发肿瘤细胞的凋亡。相关成果以题为“Tumor-selective catalytic nanomedicine by nanocatalyst delivery”发表在Nat. Commun.。

【图文导读】

图1 GFD NCs纳米催化剂的制备和连锁催化反应治疗示意图

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a)纳米催化剂GFD NCs的合成示意图;

b)纳米催化剂GFD NCs的连锁催化反应实现肿瘤特异性治疗的示意图。

图2 材料的结构与组成表征

中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

a) DMSN载体的TEM图像,比例尺:100 nm;

b) 超小Fe3O4纳米粒子的TEM图像,比例尺:5 nm;

c) Fe3O4@DMSNs Nanocatalysts的TEM图像,比例尺:100 nm;

d) 纳米催化剂GFD NCs的TEM图像,比例尺:100 nm;

e) 纳米催化剂GFD NC的暗场图像,比例尺:50 nm;

f) 纳米催化剂GFD NC的电子能量损失谱;

g) 纳米催化剂GFD NC的EDS图谱;

h) 纳米催化剂GFD NC的EDS元素面分布图,比例尺:50 nm。

图3 纳米催化剂GFD NCs的体外催化性能表征

中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

a) 纳米催化剂GFD NCs(10μg/ ml)在有/无葡萄糖(10 mM)存在下的ESR谱;

b-g)以3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)为指示剂研究体系产生羟基自由基的米氏稳态动力学。纳米催化剂GFD NCs在不同浓度(b)过氧化氢(50,25,12.5和5 mM)或(e)葡萄糖(9.25,2,1和0.5 mM)存在下的吸光度变化图;(c-d)Fe3O4纳米粒子和(f-g)GOD-Fe3O4连锁作用的(c、f)Michaelis-Menten稳态动力学和(d、g)Lineweaver-Burk作图。

图4 体外细胞毒性及ROS检测

中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

a) 在中性(pH = 7.4)和酸性(pH = 6.0)条件下,纳米催化剂GFD NCs对4T1癌细胞的毒性;

b) 在中性(pH = 7.4)和酸性(pH = 6.0)条件下,纳米催化剂GFD NCs对U87癌细胞的毒性;

c) 抗坏血酸抵抗纳米催化剂GFD NCs对4T1癌细胞的细胞毒性数据;

d) 抗坏血酸抵抗纳米催化剂GFD NCs对U87癌细胞的细胞毒性数据;

e) 在中性(pH=7.4)和酸性(pH=6.0)条件下,4T1癌细胞与不同浓度(2.5,5,10 μg/mL)的纳米催化剂GFD NCs共孵育后的活死双染共聚焦图像;

f) 在中性(pH=7.4)和酸性(pH=6.0)条件下,4T1癌细胞与DMSN,FD NCs和GFD NCs共孵育后ROS荧光探针染色的共聚焦图像。

图5 纳米催化剂GFD NCs的降解行为

中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

a) 纳米催化剂GFD NCs的降解过程示意图;

b) 在中性(pH=7.4)和酸性(pH=6.0)的模拟体液(SBF)条件下,ICP测得的累积降解含硅产物浓度;

c) 在中性(pH=7.4)和酸性(pH=6.0)的SBF条件下,纳米催化剂GFD NCs在不同时间点(1,3,5,7天)的降解产物TEM图像;比例尺:100 nm。

图6 纳米催化剂GFD NCs的药物代谢动力学

中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

a) 小鼠静脉注射给药GFD NCs(n = 3)2,24,48小时后,其主要器官和肿瘤中Si的体内分布图;

b) 小鼠静脉注射GFD NCs(n = 5)的血液半衰期曲线。半衰期(τ1/2)计算值约为2.65 h;

c) 小鼠静脉注射GFD NCs的代谢速率曲线(根据ln(Cp)-T关系)符合双室药代动力学模型;

d) 小鼠静脉注射GFD NCs(n = 5)的表观分布体积百分比(Vd%);

e) 小鼠静脉注射GFD NCs(n = 3)后8小时内血糖水平曲线;注射材料后,30分钟内小鼠血糖表现出一过性血糖降低,1小时内小鼠血糖恢复正常水平。

图7 纳米催化剂GFD NCs对4T1和U87肿瘤模型的体内连锁催化治疗实验

中科院上硅所Nat. Commun.:通过纳米催化剂的递送实现肿瘤特异性纳米催化医学疗法

a)4T1体内肿瘤模型的建立及治疗示意图;纳米催化剂GFD NCs的给药方式分为尾静脉注射(i.v.)和瘤内注射(i.t.)两种;

b)4T1模型荷瘤鼠在给药治疗周期内的体重变化曲线;

c) 尾静脉注射生理盐水(对照组)和不同剂量的GFD NCs(治疗组)后荷瘤鼠的4T1肿瘤相对大小变化曲线;

d) 瘤内注射生理盐水(对照组)和不同剂量的GFD NCs(治疗组)后荷瘤鼠的4T1肿瘤相对大小变化曲线;

e) 经过15天的治疗周期后,各组肿瘤的体积及重量曲线;

f) 尾静脉注射治疗15天后各组解剖的肿瘤数码照片,红色圆圈表示肿瘤被消除;

g) 瘤内注射治疗15天后各组解剖的肿瘤数码照片,红色圆圈表示肿瘤被消除;

h) U87体内肿瘤模型的建立及治疗示意图;纳米催化剂GFD NCs的给药方式为尾静脉注射(i.v.);

i) 尾静脉注射生理盐水(对照组)和不同剂量的GFD NCs(治疗组)后荷瘤鼠的U87肿瘤相对大小变化曲线;

j) 经过15天的治疗周期后,各组肿瘤的体积及重量曲线;

k)尾静脉注射治疗15天后各组解剖的肿瘤数码照片,红色圆圈表示肿瘤被消除;

【小结】

施剑林和陈雨等人通过精心设计具有优异生物降解性和生物相容性的多功能纳米催化剂,将连续催化的概念引入到纳米医药中,从而有效的抑制肿瘤生长。实验中将天然GOD和超小Fe3O4纳米粒子同时负载到到大孔径的DMSN中以构建可连续催化作用的纳米催化剂GFD NCs。此已成功地证明了GFD NCs的连锁催化纳米医学疗法的概念。

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