智能响应型肿瘤穿透纳米簇用于口腔鳞癌双增强磁共振成像及协同光热-化学动力学治疗

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Smart tumor-penetrating nanocluster for dual-enhanced magnetic resonance imaging and synergistic photothermal-chemodynamic treatment for oral squamous cell carcinoma

本研究针对口腔鳞癌(OSCC)成像诊断精度不足和传统治疗效率有限的问题，开发了一种MMP9响应的智能自分解钴锰氧化物纳米簇(SDCM NC)。该纳米系统通过酶控尺寸转换实现肿瘤深层渗透，显著提升T1-T2双模态MRI成像对比度，并协同光热治疗(PTT)与化学动力学治疗(CDT)，在OSCC小鼠模型中有效抑制肿瘤生长，为肿瘤精准诊疗提供新策略。

　　

口腔鳞状细胞癌(OSCC)是头颈部最常见的恶性肿瘤，其侵袭性强、易局部复发和转移的特性导致患者死亡率居高不下。准确成像诊断和及时治疗干预是改善预后的关键，而磁共振成像(MRI)因其优异的软组织分辨率和深层组织穿透能力成为OSCC诊断的重要工具。然而，传统造影剂如钆剂(Gd-DTPA)和超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)存在肿瘤靶向性差、富集效率低等问题，限制了成像灵敏度和诊断准确性。

更为复杂的是，肿瘤微环境(TME)中存在多重生物屏障。虽然10-400纳米范围的纳米颗粒可通过增强渗透和滞留效应(EPR效应)在肿瘤部位积累，但小尺寸颗粒易被快速清除，大尺寸颗粒又难以深入肿瘤核心。这种矛盾促使研究人员开发智能响应型纳米平台，使其能在血液循环中保持较大尺寸以延长半衰期，到达肿瘤后又能分解为小尺寸颗粒实现深层穿透。

针对这一挑战，上海交通大学医学院附属第九人民医院研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表最新研究，构建了一种基质金属蛋白酶9(MMP9)响应的智能自分解纳米簇(SDCM NC)。该平台巧妙利用OSCC肿瘤中高表达的MMP9作为特异性触发因子，通过"停靠-分解"机制实现肿瘤特异性靶向和深层渗透，同时整合诊断与治疗功能，为OSCC精准诊疗提供了创新解决方案。

研究采用的关键技术方法包括：通过溶剂回流法合成钴锰氧化物纳米颗粒(CMO NPs)，并利用MMP9敏感型B型明胶进行包覆构建SDCM NCs；通过TCGA数据库生物信息学分析和患者样本验证MMP9在OSCC中的表达；利用透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料性质；通过体外MRI评估弛豫性能；建立OSCC小鼠模型评估体内成像效果和治疗效果。

2.1 响应触发因子分析与验证

研究团队通过生物信息学分析发现，多种MMP亚型在OSCC患者中显著上调，其中MMP9在肿瘤组织中的mRNA表达水平是正常组织的三倍。Western blot、qPCR和免疫组化结果一致证实MMP9在OSCC肿瘤组织中高表达，尤其在肿瘤实质和侵袭前沿区域。这一发现为以MMP9为靶点设计肿瘤特异性纳米载体提供了理论依据。

2.2 SDCM NCs的制备与表征

CMO NPs通过溶剂回流法合成，尺寸为18.64±5.08纳米，经明胶修饰后形成规整的纳米簇。透射电镜显示，SDCM NCs在MMP9环境中随时间推移逐渐分解，24小时后完全释放出CMO NPs。XPS分析证实了Mn和Co的多价态存在，XRD显示CMO NPs具有立方相晶体结构。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和Zeta电位分析验证了明胶的成功修饰，表面电位从-8.8 mV变为-18.5 mV，提高了体系稳定性。

2.3 TME响应性MR性能体外评估

CMO NPs表现出浓度依赖的T₁和T₂弛豫增强效应，弛豫率分别为r₁=0.505 mM^-1s^-1和r₂=5.716 mM^-1s^-1。在酸性(pH 6.5)和高谷胱甘肽(GSH)条件下，弛豫率显著提升，表明其具有肿瘤微环境响应性。SDCM NCs的弛豫性能进一步优化，r₁和r₂分别提高至0.688 mM^-1s^-1和22.88 mM^-1s^-1，归因于纳米簇效应放大了局部磁场不均匀性。

2.4 体内T₁-T₂双增强MR成像

在OSCC小鼠模型中，SDCM NCs表现出优异的成像性能。T₁加权成像的信噪比变化(△SNR)在6小时达到41.77%，显著高于CMO NPs(25.81%)和Gd-DTPA(19.31%)。T₂加权成像的△SNR在6小时达到-54.53%，远优于CMO NPs(-27.37%)和SPIONs(-5.069%)。电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)分析显示，SDCM NCs在肿瘤中的积累在24小时达到8.02% ID/g，而CMO NPs在6小时峰值后迅速下降。

双增强减影成像(DESI)技术进一步提升了成像灵敏度，通过T₁和T₂加权图像相减并反转强度，显著增强了肿瘤组织与正常组织的对比度。SDCM NCs组的△SNR在6小时达到69.329%，能够清晰显示肿瘤边界和内部异质性。

2.5 抗肿瘤功效与生物相容性

CMO NPs通过芬顿样反应有效催化H₂O₂生成·OH自由基，实现化学动力学治疗(CDT)。同时，SDCM NCs在808 nm激光照射下表现出高效的光热转换能力，1 mg/mL浓度下温度可升至43°C。体外实验显示，SDCM NCs对CAL-27口腔鳞癌细胞具有显著杀伤作用，CDT单独处理导致38%细胞死亡，联合光热治疗(PTT)后提升至64%。活性氧(ROS)检测证实了剂量依赖的氧化应激反应。

在OSCC异种移植模型中，SDCM NCs联合PTT有效抑制肿瘤生长，治疗14天后肿瘤体积基本保持不变，而对照组增长至8.7倍。组织学分析显示治疗组肿瘤组织出现核碎裂、细胞质苍白等损伤特征，Ki-67染色阳性率最低，TUNEL染色显示最高水平的细胞凋亡。重要器官H&E染色和血液学参数表明SDCM NCs具有良好的生物相容性。

3 结论与讨论

该研究成功构建了MMP9响应的智能自分解纳米簇SDCM NC，实现了OSCC的双重增强MRI诊断和协同PT-CDT治疗。其创新性在于：通过酶控尺寸转换机制解决了纳米颗粒肿瘤积累与穿透深度的矛盾；利用T₁-T₂双模态成像互补优势，结合DESI技术提升诊断准确性；同时整合诊断与治疗功能，展现良好的转化前景。

研究也存在一定局限性：尚未全面评估长期药代动力学和代谢清除途径；皮下移植瘤模型不能完全模拟OSCC的解剖和免疫复杂性；未实现实时MR引导治疗。未来研究可在原位模型或患者来源异种移植(PDX)模型中验证，并开展免疫活性系统的安全性评估，推动临床转化。

该平台为OSCC精准诊疗提供了新思路，通过智能纳米材料设计同时提升诊断准确性和治疗效果，体现了多模态纳米医学在肿瘤治疗中的巨大潜力。其酶响应机制和尺寸转换策略也可拓展至其他高表达MMP9的肿瘤类型，具有重要的科学意义和临床价值。