JACS 報道: 過氧化銅納米點的制備及其H2O2自供型化學動力學研究

【背景介紹】

化學動力療法（CDT）是一種新興的治療方法，是利用芬頓（Fenton）反應類芬頓反應產生高細胞毒性的羥基自由基（?OH），即活性氧（ROS）。眾所周知，芬頓或類芬頓反應在形成?OH的過程中主要依賴于過氧化氫（H₂O₂）和催化劑之間的相互作用，而不需要氧氣和外部能量輸入。這種獨特的ROS產生模式使的CDT有望克服腫瘤光動力治療中的缺氧環境下產生ROS效率低、光穿透深度不足等問題。盡管許多類型的腫瘤細胞都高表達H₂O₂，但是內源性產生H₂O₂的量仍難達到較好的化學動力學療效。目前增加細胞內H₂O₂濃度主要有兩種方法：1）增大線粒體中內源性H₂O₂的生成量；2）外源性H₂O₂的輸送或生成。然而，線粒體產生的內源性H₂O₂會受到細胞內還原酶分解，從而降低其利用率。目前，由金屬離子和過氧基團組成的金屬過氧化物（MPs）被認為是H₂O₂的有效替代來源。由于Fe²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺和Co²⁺等幾種金屬離子均表現出優異的Fenton催化活性，因此Fenton型金屬基MP-NPs有望作為一種簡單且有前途的能夠自給H₂O₂的CDT納米劑。更重要的是，目前還沒有報道過關于Fenton型金屬過氧化物納米材料。

【成果簡介】

近日，美國國立衛生研究院的陳小元研究員和王生博士（共同通訊作者）共同報道了一種Fenton型金屬過氧化物納米材料，并證實其自身可以提供H₂O₂以增強CDT治療效果。在氫氧根離子的輔助下，通過H₂O₂與Cu²⁺的配位作用可制備得到過氧化銅（CP）納米點，配位作用在酸處理后可以發生逆轉。CP納米點被細胞內吞后進入腫瘤細胞，溶酶體的酸性環境加速了CP納米點的分解，使具有Fenton催化活性的Cu²⁺和H₂O₂同時被釋放，并發生類Fenton反應產生?OH殺死腫瘤細胞。此外，小顆粒的CP納米點在靜脈注射后于腫瘤組織中富集，從而有效地抑制腫瘤生長。該研究不僅提供了第一例關于Fenton型金屬過氧化物納米材料的制備，而且提出了一種有效提高CDT效率的新策略。研究成果以題為“Synthesis of Copper Peroxide Nanodots for H2O2 Self-Supplying Chemodynamic Therapy”發布在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文解讀】

圖一、H₂O₂自供型CDT的CP納米點的形成

圖二、CP納米點的制備與表征
（a）PVP包裹的CP納米點的合成方法示意圖；

（b-d）CP納米點的TEM、DLS和UV-vis吸收光譜；

（e）比色分析法證明CP納米點中存在過氧基團；

（f-h）PVP包裹的CP納米點的高分辨率O 1s、Cu 2p和XPS光譜。

圖三、CP納米點的形成與分解
（a）CP納米點的形成和解離的示意圖；

（b）b1：在不同摩爾比的NaOH與CuCl₂下，在PVP存在下獲得的CP材料的照片；b2：添加H₂O₂前后具有不同pH值的CuCl₂溶液的照片；

（c）不同pH條件下從CP納米點釋放的Cu，表明酸誘導的解離；

（d）用H₂O₂、Cu²⁺或Cu²⁺+H₂O₂處理30 min的TMB水溶液的UV-vis；

（e）TMB測定在不同pH值下由CP納米點產生的?OH的比色檢測。

圖四、不同濃度CP納米點照射4 h后，DCFH-DA染色U87MG癌細胞的熒光圖像

圖五、體外檢測ROS生成及CDT療效
（a）各種濃度CP納米點與U87MG細胞共孵育24 h后，對細胞的活/死染色；

（b）CP納米點處理U87MG細胞12 h后，細胞凋亡圖；

（c）CP納米點孵育24 h后，體外CDT療效。

圖六、基于CP納米點的CDT的治療機制
（a）?OH引發的LPO的一般機理；

（b）親脂性C11-BODIPY探針用于LPO的主要產物脂質氫過氧化物（LHP）的比率熒光成像檢測；

（c）各種濃度的CP納米點處理U87MG細胞4 h后， C11-BODIPY染色的CLSM圖像；

（d）用或不用CP納米點與U87MG細胞孵育24 h，AO染色的CLSM圖像。

圖七、CP 納米點的體內CDT治療
（a）在靜脈注射24 h后，Cu在U87MG荷瘤小鼠的主要器官和腫瘤中的生物分布；

（b）鹽水（對照組）或不同劑量的CP納米點處理后U87MG荷瘤小鼠的相對腫瘤生長曲線；

（c）不同組中小鼠在觀察期間的體重變化曲線；

（d）從不同組小鼠獲得的腫瘤切片的H＆E染色圖像；

（e）各種處理后TUNEL染色的腫瘤切片的熒光圖像。

【小結】

綜上所述，作者闡述了CP納米點的制備及其作為自供H₂O₂的可激活型CDT試劑的應用。通過H₂O₂與Cu²⁺的配位，OH-輔助制備CP納米點可在酸性pH下發生逆轉。在癌細胞內吞作用后，pH響應性的CP納米點在酸性的胞內體和溶酶體中分解并釋放具有Fenton催化活性的Cu²⁺和H₂O₂。分解產物之間發生的類Fenton反應產生?OH，通過LPO過程破壞溶酶體膜的完整性，從而引發癌細胞死亡。小粒徑的CP納米點在腫瘤組織中能有效富集，而且CP納米點具有pH調控的?OH生成性質。，因此，CP納米點在體內具有較小的毒副作用，并能提供優異的化學動力學功效。該工作首次報道了Fenton型金屬過氧化物納米材料，并證明CP納米點可以作為H₂O₂自供型 CDT抗癌試劑。

文獻鏈接：Synthesis of Copper Peroxide Nanodots for H₂O₂ Self-Supplying Chemodynamic Therapy（JACS, 2019, DOI:10.1021/jacs.9b03457）

通訊作者簡介

陳小元研究員于1993年和1996年分別獲得南京大學化學學士和碩士學位，隨后1999年獲得美國愛達荷大學博士學位。經過Syracuse大學和Washington大學圣路易分校博士后訓練，于2002年進入南加州大學放射學系任助理教授，2004年轉入斯坦福大學，2008年升為副教授。2009年陳博士加入美國國立衛生研究院（NIH）生物醫學影像及醫學工程所（NIBIB）任終身資深研究員，分子影像及納米醫學實驗室主任。2012年獲NIBIB Mentor Award，2014年獲 NIH Director’s Award，2016年獲美國化學會Bioconjugate Chemistry Lectureship Award。陳博士已發表650多篇SCI論文（H影響因子＞110，引用率超過46000次）。陳博士是ACS Nano等多家雜志的編委，Theranostics雜志的創刊主編（目前影響因子達8.537），中美核醫學及分子影像學會（CASNMMI）前任主席，美國核醫學及分子影像學會（SNMMI）Radiopharmaceutical Science Council （RPSC）前任主委，以及中美納米醫學與納米生物技術學會（CASNN）前任主委。

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip.