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。

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