新型无药级联纳米粒子通过多模式协同抗癌疗法诱导肿瘤特异性ROS风暴

本刊推荐：为解决传统声敏剂ROS生成不足、肿瘤靶向积累不充分及副作用大等问题，研究人员开发了新型无药多功能纳米粒子HGMP NPs，集成了光热疗法(PTT)、声动力疗法(SDT)和饥饿疗法(ST)，通过近红外(NIR)照射和超声(US)激活，显著增强ROS生成并激活TNF信号通路，实现高效安全的协同抗肿瘤效果，为癌症纳米医学提供了新范式。

　　

癌症一直是全球公共卫生面临的持久挑战，其高度复杂的生物学机制和信号通路使得治疗异常困难。特别是结直肠癌(CRC)，在全球范围内仍是癌症相关发病率和死亡率的主要贡献者。目前传统的癌症治疗方法主要包括化疗、手术切除和放疗，但这些传统方式通常缺乏精确的肿瘤靶向能力，导致系统性毒性和不理想的治疗效果。因此，开发有效、生物相容且毒性降低的治疗策略势在必行。在这一背景下，多模式治疗方法因其增强的疗效和减少的不良反应而日益受到关注。

多模式疗法整合了两种或更多治疗方式，如手术、化疗、放疗、基因治疗、光动力疗法(PDT)、光热疗法(PTT)和免疫疗法。这种策略有效减少了副作用，并显著提升了治疗效果。然而，涉及三种或更多模式的多模式治疗研究仍然有限，这突出了进一步探索和创新的空间。

光热疗法(PTT)是一种有吸引力的非侵入性治疗选择，具有高肿瘤选择性和显著的治疗效果。PTT利用光热剂(PTAs)将吸收的光能转化为热量，从而诱导局部高温以根除癌细胞。在各种PTAs中，聚多巴胺(PDA)表现出良好的生物相容性、易于制备和优异的近红外(NIR)光热转换能力，因此非常适合光热应用。然而，PDA的载药能力欠佳限制了其更广泛的应用。幸运的是，介孔聚多巴胺纳米粒子(MPDA NPs)作为一类新型的PDA衍生纳米结构，具有大表面积，从而增强了载药能力和治疗效果。因此，MPDA NPs已成为有前景的光热纳米载体。尽管有这些优势，PTT受到NIR光穿透深度有限的限制，导致肿瘤根除不完全，临床应用受限。

声动力疗法(SDT)是一种新兴的癌症治疗方法，利用超声(US)激活声敏剂，产生单线态氧(¹O₂)和其他活性氧(ROS)来消灭癌细胞。此外，超声具有卓越的组织穿透深度、良好的患者依从性以及对正常组织的 minimal 损伤。原卟啉IX(PpIX)具有优异的生物相容性、积累潜力和易于代谢的特点，可被光和超声激活。激活后，它消耗分子氧产生细胞毒性ROS，不可逆地破坏肿瘤细胞和组织。然而，肿瘤微环境中常见的缺氧严重阻碍了ROS的产生，削弱了SDT疗效。因此，结合治疗对于增强SDT效果至关重要。

癌细胞表现出异常的代谢行为，比正常细胞更积极地消耗葡萄糖以支持其快速增殖。因此，阻断肿瘤中的葡萄糖和营养物质已成为一种有效的抗肿瘤策略。葡萄糖氧化酶(GOx)催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸和H₂O₂，破坏葡萄糖代谢并抑制肿瘤细胞生长。因此，GOx介导的饥饿疗法(ST)被广泛使用，因其强大的降低肿瘤组织中葡萄糖水平和抑制肿瘤增殖的能力。然而，单独的葡萄糖剥夺通常不足以诱导癌细胞显著凋亡，这突出了补充治疗方法的必要性。

鉴于单一疗法的局限性，多功能治疗策略的开发受到越来越多关注。研究人员假设，一个整合PTT、SDT和ST的多功能纳米平台可以克服每种疗法的各自限制，提高癌症治疗效果。在这项研究中，研究人员合成了一种新型无药多功能纳米粒子，标记为HA/GOx-MPDA@PpIX纳米粒子(HGMP NPs)，使用MPDA作为核心载体负载PpIX，并涂覆GOx和HA，用于协同抗肿瘤治疗。在肿瘤微环境中，GOx中断肿瘤细胞的能量供应并产生高毒性ROS。通过SDT进一步增强ROS产生，有效破坏癌细胞。此外，在808 nm NIR照射下由PTT诱导的温和光热效应增加了肿瘤部位的氧气可用性，增强了ROS生成。同时，SDT补偿了PTT的浅组织穿透，实现了更完全的肿瘤根除。重要的是，GOx的催化功能在各种局部肿瘤温度下保持稳定，确保了治疗过程中持续的葡萄糖消耗和ROS产生。总的来说，这种结合PTT、SDT和ST的多模式协同方法实现了超加性协同效应(1+1+1>3)，最大化治疗效果。这项研究为协同抗癌治疗提供了一个强大且有前景的治疗策略。

本研究由广西大学医学部广西特色生物医学重点实验室等团队完成，论文发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。

为开展研究，研究人员采用了几项关键技术方法：首先，通过一锅法合成MPDA NPs，并使用有机模板去除制备介孔结构；接着，通过负载PpIX和表面修饰GOx及HA构建HGMP NPs；利用透射电子显微镜(TEM)和动态光散射(DLS)进行纳米粒子形貌和尺寸表征；通过紫外-可见光谱(UV-vis)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证纳米粒子组成；采用体外细胞实验评估细胞摄取、细胞毒性和ROS生成；通过转录组测序和实时PCR(RT-PCR)分析基因表达和信号通路；使用小鼠肿瘤模型进行体内抗肿瘤效果和生物分布评估；并通过代谢组学和血液生化分析评估生物相容性和安全性。样本队列包括MC-38结肠癌细胞和H22肝癌细胞构建的小鼠模型。

表征与性能评估

通过TEM和DLS分析，HGMP NPs呈现球形形态，尺寸均匀，成功负载PpIX和表面修饰GOx及HA。UV-vis和FTIR光谱证实了纳米粒子的组成和结构。体外释放实验显示，在酸性肿瘤微环境(pH 6.5)下，PpIX释放率显著提高，达78.3%，表明其肿瘤特异性释放特性。光热性能测试表明，HGMP NPs在808 nm NIR照射下表现出浓度和功率依赖的温度升高，光热转换效率达41.6%，且经过多次循环仍保持稳定。声动力性能通过DPBF降解实验验证，US照射下HGMP NPs产生大量¹O₂和·OH。GOx催化功能通过pH降低和H₂O₂生成实验确认，表明其能有效诱导饥饿疗法和ROS生成。

体外细胞实验

细胞摄取实验显示，HGMP NPs通过HA介导的CD44受体靶向，显著增强肿瘤细胞摄取，且摄取效率随时间 and 浓度增加而提高。NIR或US照射进一步促进摄取。细胞毒性实验表明，HGMP NPs在NIR和US联合照射下对MC-38细胞具有显著杀伤作用，细胞存活率低于5%，而单独治疗组效果较差。凋亡分析和ROS检测证实，HGMP NPs联合照射诱导大量ROS生成和细胞凋亡，主要通过TNF信号通路激活。

机制探讨

转录组测序分析揭示，HGMP NPs联合NIR和US照射显著上调197个基因，下调250个基因，KEGG富集分析显示TNF信号通路是关键凋亡途径。GSEA和RT-PCR验证了TNF-α、TNFR1、Caspase 8和Caspase 3的表达上调，ELISA分析进一步证实了通路激活。这些结果表明，ROS风暴和TNF通路激活是协同治疗的主要机制。

体内抗肿瘤效果

在MC-38和H22肿瘤小鼠模型中，HGMP NPs通过尾静脉注射后，在肿瘤部位特异性积累，NIR照射下肿瘤温度显著升高至61.8°C。联合治疗组(HGMP+NIR+US)表现出最高的肿瘤抑制率(91.05%)，肿瘤体积显著减小，H&E和TUNEL染色显示广泛组织坏死和DNA碎片，ROS染色证实高水平ROS生成。这些结果验证了HGMP NPs在体内的协同抗肿瘤效能。

生物相容性与安全性

代谢组学分析显示，HGMP NPs联合治疗对小鼠代谢谱影响 minimal，与对照组相似，表明无系统性代谢扰动。血液生化分析和器官H&E染色未发现异常，溶血率低于5%，证实了良好的生物相容性和血液相容性。体内免疫毒性评估显示TNF-α和IL-6水平无显著变化，进一步支持了纳米平台的安全性。

结论与意义

本研究成功设计了新型多功能纳米粒子HGMP NPs，整合了PTT、SDT和ST，用于协同抗肿瘤治疗。通过HA介导的主动靶向，纳米粒子在肿瘤部位特异性积累，在NIR和US照射下表现出强效的光热效应和声动力性能，显著增强ROS生成并激活TNF信号通路，诱导肿瘤细胞凋亡。转录组和代谢组学分析首次证实了该纳米平台的卓越生物相容性和安全性，无系统性代谢扰动。这些发现为协同抗癌治疗提供了理性范式，突出了HGMP NPs作为一种极其安全有效的纳米平台在癌症治疗中的潜力，为癌症纳米医学的未来发展提供了宝贵 insights。