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化学

化学动力学疗法: 芬顿化学与生物医学的融合

发布时间:2020-08-26   |  所属分类:化学:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
  摘要化学动力学疗法(chemodynamic therapy,CDT)是以肿瘤病灶区微环境的弱酸性为反应条件,以过表达的H2O2等为反应原料,过渡金属纳米材料为催化剂,引发肿瘤细胞内芬顿或类芬顿反应,催化H2O2产生羟基自由基(•OH)等强氧化性的活性物种,诱导肿瘤细胞凋亡,是一类新型的肿瘤治疗技术.本文基于芬顿/类芬顿的反应原理与机制,系统分析了该类反应如何通过功能纳米材料的设计与制备、肿瘤微环境的调控以及外源能量场的辅助等优化方法和策略,最终获得快速、高效的CDT抗肿瘤疗效.最后,展望了CDT的潜在应用、发展趋势和挑战,为今后发展其他新型肿瘤治疗策略提供了借鉴性研究思路.
 
  关键词芬顿/类芬顿反应,化学动力学疗法,过渡金属纳米材料,肿瘤微环境
 
  1引言
 
  芬顿反应是指在亚铁离子(Fe2+)作用下,催化H2O2生成强氧化性羟基自由基(•OH)的一类经典反应,已被广泛用于降解污水中难以去除的有机物,实现污水净化[1~3].近年来,科研人员借助于纳米技术和纳米材料,不断探索并尝试把该类反应扩展到生态环境领域之外的其他领域[4~8].在生物医学领域,恶性肿瘤的发生发展造就了其独特的微环境,如弱酸性[9]、H2O2过表达[10]、过氧化氢酶的低活性[11]和乏氧[12]等,这类特殊的微环境不仅为肿瘤提供了适宜的生长条件,同时也加剧了肿瘤的侵袭性和转移性[13~15].但也正是肿瘤组织不同于正常组织的特异性微环境,为肿瘤高效选择性治疗提供了可能.例如,利用肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)激活的纳米药物,主要为药物载体类材料[16~18],但通常存在药物负载量低而疗效不显著,药物易泄露而损害正常组织的缺点.当前临床主流肿瘤治疗方法,如放疗、化疗等,是把X射线[19]或化疗药物(如替拉扎明TPZ和阿霉素DOX)[20~22]等引入肿瘤区,受激产生的活性氧(reactive oxygen species,ROS),可用于高效杀死癌细胞,且不产生耐药性.青蒿素对疟疾的治疗机理是利用患者体内血红素中的铁,催化打开青蒿素中的过氧桥,以形成ROS,用以破坏疟原虫生物膜成分,导致疟原虫死亡,其反应本质即为经典的芬顿反应[23,24].基于肿瘤特殊微环境,同样可以考虑引入特定的催化剂,激活芬顿/类芬顿反应,高效产生•OH杀伤肿瘤细胞,从而实现对肿瘤的高效治疗.
 
  基于此,2016年,本课题组[25]提出一类新型的肿瘤治疗方法:化学动力学疗法(chemodynamic ther-apy,CDT),定义为以肿瘤病灶区微环境的弱酸性为反应条件,过表达的H2O2等为反应原料,过渡金属纳米材料为催化剂,原位引发肿瘤细胞内芬顿/类芬顿反应,催化H2O2产生•OH等强氧化性的活性物种,诱导肿瘤细胞凋亡.具体过程为:纳米催化粒子到达瘤区后,在H+作用下解离出功能性离子,激活芬顿反应,催化H2O2产生•OH,进而氧化肿瘤细胞膜、蛋白分子及DNA等以触发细胞凋亡;而在正常组织的弱碱条件及少量H2O2的环境下,该反应无法进行,从而保证了其对正常组织的安全性[26].相比于化疗、放疗、光热疗法和光动力疗法,CDT更具肿瘤特异性和选择性,全身毒副作用低;治疗过程无需外场激发,对设备要求低,治疗费用低.事实上,CDT在抗癌领域已有应用,如博来霉素(bleomycin)、蒽环类药物等DNA靶向药物[27~29],其作用过程需要联合铁离子,催化芬顿反应产生自由基以破坏DNA,其疗效取决于铁离子及微环境内H+和H O浓度.功能纳米材料的出现,可以提高芬顿/类芬顿反应效率,从而显著提升CDT疗效.
 
  本文依据芬顿/类芬顿反应的原理与机制,系统分析阐述了优化该类反应的方法和策略[30],包括纳米催化剂的选择(铁基/非铁基、均相/非均相、有机/无机等),肿瘤微环境的调控(降低瘤内pH、增加反应底物H2O2、减少抗氧化剂谷胱甘肽(GSH)等),外源能量场的辅助(光、热、超声、电和磁场等),以获得快速、高效的CDT抗肿瘤治疗;同时,展望了CDT疗法的潜在应用、发展趋势和挑战,为今后发展其他新型肿瘤治疗策略提供了借鉴性的研究思路.
 
  2纳米材料的选择
 
  催化剂(材料)在芬顿/类芬顿反应中,具有不可替代性,因此,纳米材料(铁基/非铁基、有机/无机、均相/非均相等)的设计与制备至关重要.
 
  2.1铁基纳米材料
 
  对铁基纳米材料而言,提高CDT效率的首要条件,是增加肿瘤区自由的二价铁离子含量.肿瘤细胞由于其葡萄糖代谢水平增加而产生大量乳酸,导致肿瘤微环境呈现偏酸性特征[31].铁基纳米材料恰好可借助肿瘤区酸性微环境,快速分解释放二价铁离子.众所周知,晶体材料由于纳米晶粒内原子的有序排列,使其晶体结构较为稳定而难以酸分解;相对而言,非晶玻璃态材料由于其无序的原子排列结构,赋予其较高的酸解特性.因此,非晶态铁基纳米材料非常适合用于CDT,但严苛的合成条件限制了其发展和应用.2016年,本课题组[25]提出了基于非晶铁(AFeNPs)的“化学动力学疗法”新概念(图1(a)).该策略是基于非晶铁纳米颗粒在肿瘤微环境先酸解离、再过氧化氢歧化的逻辑响应关系,高效催化瘤内芬顿反应,显著提高了肿瘤治疗的特异性;CDT在瘤内原位产生羟基自由基,导致不可逆的线粒体破坏、DNA链断裂以及蛋白和生物膜的氧化,无需施加外源性能量场,避免了光源组织穿透深度限制和放疗X射线所引起的副作用.值得一提的是,这类具有逻辑关系响应的内源性治疗策略,高效利用肿瘤微环境,最终产物为生物安全的铁离子,避免了传统药物载体活体内长期滞留的潜在毒性.相比于晶态的单质Fe纳米颗粒(FeNPs),AFeNPs可快速响应酸性微环境,按需释放足量Fe2+以激活CDT(图1(b,c)),但在中性条件下,Fe2+释放极为缓慢,因此其对整个生物体具有良好的安全性.但在实际污水处理过程中,芬顿反应最适pH为3~4,且pH越低,催化剂活性越强,•OH产率也越高.而肿瘤微环境pH值仅为6.8,对于传统酸依赖型芬顿纳米催化剂,其对肿瘤CDT作用效率极为有限,因此,开发不受pH影响的芬顿纳米材料意义重大.
 
  为了克服传统铁基纳米材料催化芬顿反应时的酸依赖性难题,本课题组基于络合策略,将铁离子与电子穿梭体——磷钨酸根相结合,设计并制备了一种新型铁基磷钨酸合半胱氨酸铁CDT纳米催化剂(FePWNPs),实现了全pH下的CDT抗肿瘤治疗.磷钨酸根可在低质子浓度下实现Fe3+到Fe2+的高效转换,因此FePWNPs可在肿瘤区内部的微酸区和浅表层的中性区激活芬顿反应,实现了从肿瘤表层到内部的肿瘤化学动力学全治疗,克服了酸依赖型CDT治疗剂对表层中性pH肿瘤区无能为力的缺陷,极大拓宽了铁基化学动力学治疗剂的设计思路与应用范围[32].其他体系的铁基纳米材料,包括铁氧化物[33~35]、[FeO(OH)n][36]和M(Sn,Mn)Fe2O4[37,38]也已经用于CDT,但并没有聚焦于增加催化剂Fe2+离子的研究.
  2.2非铁基纳米材料
 
  与芬顿反应过程类似,多类非铁基过渡金属离子(Mn2+、Ti3+、Cu2+、Co2+等)也可以作为催化剂[39],分解H2O2产生•OH,该过程被广泛定义为类芬顿反应.2018年,Chen等[40]制备了SiO2 MnO2核壳结构纳米颗粒,实现GSH激活的Mn基CDT(图1(d)).纳米颗粒在肿瘤区微环境中,MnO2壳层与高浓度的GSH发生氧化还原反应,生成Mn2+和氧化型谷胱甘肽(GSSG);Mn2+可在富含HCO3−/CO2的生理环境中启动类芬顿反应,催化分解H2O2生成•OH.同时,由于GSH的消耗,肿瘤区抗氧化性降低,有利于瞬时•OH累积对肿瘤细胞造成无法修复的损伤.亚甲基蓝(MB)降解实验,证实了•OH的高效产生.相比于H2O2和MnCl2实验组,NaH-CO3/CO2缓冲液的加入,可显著提高次甲基蓝降解效率,证明了HCO3−/CO2对高效Mn2+-基CDT的必要性(图1(e)).另外,当溶液GSH浓度高达10 mM时,该纳米颗粒依然可有效降解MB,且相比没有MnO2的对照组明显提高1.3倍,说明MnO2确实可清除GSH,提高•OH的最终产量(图1(f,g)).因此,结合肿瘤特殊微环境,发挥更多非铁基过渡金属纳米材料的功能,也有望显著提高CDT效率.值得一提的是,非铁基过渡金属离子发生芬顿反应的最适pH与铁离子不同,如铜离子反应所需的最适酸度更接近肿瘤弱酸性环境.因此,开发一种能与肿瘤微环境pH更匹配的非铁基过渡金属纳米材料,对于高效的CDT抗肿瘤治疗具有重要意义.
 
  2.3金属-有机纳米材料
 
  相比于无机纳米材料,金属-有机纳米材料(金属-有机纳米络合物、纳米金属-有机框架材料(nMOFs))具有更强的设计性和功能附加性,已被用于疾病治疗和影像诊断[41~44].在芬顿反应过程中,Fe2+催化H2O2生成自由基,同时Fe2+被氧化为Fe3+;Fe3+易于结合OH−,生成Fe(OH)3沉淀,进而阻止了芬顿反应的循环进行.金属-有机络合物对金属离子的束缚作用可有效避免金属离子沉淀生成,同时引入还原性有机配体,可辅助Fe3+/Fe2+间的还原,加速芬顿反应,提高整体反应效率.2018年,Zhang等[45]构建了Fe3+-单宁酸金属-有机纳米络合物(MPN),并将其包覆于载有葡萄糖氧化酶(GOx)的沸石咪唑框架(ZIF)外表面,得到GOx ZIF MPN,用以实现ATP响应的高效CDT抗肿瘤治疗(图2(a)).
 
  GOx ZIF MPN到达瘤区后,响应过表达的ATP,分解MPN后释放Fe3+和单宁酸;在肿瘤偏酸环境下,单宁酸可加速Fe3+还原为高催化活性的Fe2+;而暴露出的ZIF可快速释放GOx,GOx催化分解肿瘤区过量葡萄糖生成H2O2,进而提高•OH产率,最终实现ATP响应型“自催化”芬顿反应纳米体系,显著增强CDT疗效(图2(b~d)).
  nMOFs作为一类典型的晶体杂化材料,由于具有孔隙率高、比表面积大、生物安全性好等优点,已被广泛用于药物分子装载、放疗增敏及CDT治疗.Ranji-Burachaloo等[46]成功制备了Fe基MOF,并在其表面修饰靶向配体叶酸(rMOF-FA),用以肿瘤内CDT.rMOF-FA靶向进入瘤区后,在肿瘤酸性微环境中,快速分解释放铁离子,用于催化CDT;而在中性环境中,该MOF结构稳定,表现出良好的生物安全性.rMOF-FA在pH~5.0时,铁离子释放率约为100%,而在中性溶液中,几乎不释放,与非晶铁的响应性和特异性一致.2019年,Lin等[47]构建了一种新型Cu-卟啉(TBP)nMOF,用以调控自由基增强的肿瘤免疫治疗.基于Cu-TBP的酸响应性降解,nMOFs可以在肿瘤内有效释放Cu2+和H4TBP(图3(a,b));其中,Cu2+催化类芬顿反应,产生•OH,而H4TBP介导光触发的光动力学治疗,产生单线态氧;结合PD-L1抗体,使nMOFs调控的自由基治疗不仅可以消除局部肿瘤,而且还可以引发荷瘤鼠全身抗肿瘤免疫,抑制和缩小远端肿瘤(图3(c~f)).
  Chen等[48]制备出球-椭球“双面神”结构的可生物降解的介孔硅基纳米反应器,通过SiO2骨架上不同过渡金属的掺杂,实现了高效的CDT抗肿瘤治疗.目前,越来越多的研究聚焦于新颖、高效CDT纳米催化剂的探索与开发,同时将CDT与其他疗法相结合,彼此协同,相互增效.随着对肿瘤生物特性的不断研究及对CDT作用过程理解得不断深入,未来更为合理化和智能化的CDT纳米催化剂将不断涌现,甚至可针对不同瘤株或不同个体,对材料进行设计或筛选,以期获得理想、高效、特异的CDT抗肿瘤治疗.
 
  3肿瘤微环境的调控
 
  CDT效率不仅受控于催化剂活性,也受限于肿瘤反应环境(pH、H2O2及GSH量)的影响.因此,合理调控并优化CDT反应条件(降低pH、上调H2O2、下调GSH等)的策略研究表现出强大的应用潜力.
 
  3.1降低pH
 
  芬顿反应过程需足量的H+抑制铁离子沉积、促进H2O2分解,通常最佳pH为2~4[49].肿瘤微环境呈现弱酸性,其pH约为6.5~7.0,而肿瘤细胞核及胞内溶酶体酸性较强,pH分别约为5.0和4.5[50].因此,对于大部分纳米催化材料,肿瘤区微酸环境会限制其芬顿反应的催化效率,降低CDT抗肿瘤疗效.因此,降低肿瘤微环境的pH或靶向输送纳米催化剂至胞内细胞核或溶酶体[51,52],可优化芬顿反应条件以提高CDT效率.
 
  Shi等[53]构建了包封有siRNA的小尺寸非晶氧化铁(AIO)纳米粒子(~14.6 nm)(图4(a)),避免了siRNA的酶降解及在血液循环时的大量释放.材料经血液循环到达瘤区后,由于AIO尺寸较小,可穿透进入肿瘤内部,酸解释放铁离子和siRNA;siRNA沉默细胞膜表面上调的单羧酸转运蛋白(MCT4),抑制胞内乳酸/H+的外排,诱导细胞酸中毒,并可进一步上调胞内H2O2含量,优化了芬顿反应条件,增强了自由基产率;进一步,自由基氧化破坏胞内溶酶体膜结构,加速纳米颗粒逃逸溶酶体,最终获得高效的基因/CDT联合抗肿瘤治疗(图4(b)).如图4(c)所示,与载有Cy5.5-siRNA的聚合物相比,AIONPs可穿透到肿瘤的深层组织,提高了CDT整体抗肿瘤效率.另外,蛋白质印记和免疫荧光染色(图4(d,e))结果证实,AIONPs可下调MCT4的表达,即siRNA沉默MCT4的表达.MCT4沉默后的PC3细胞中H2O2浓度显著增加,这是由细胞内酸积累所致(图4

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