利用钴基金属碳烷对可注射水凝胶进行功能化，以实现三阴性乳腺癌的靶向递送

《ChemBioChem》：Functionalizing Injectable Hydrogels with Cobalt-Based Metallacarboranes for Targeted Delivery in Triple-Negative Breast Cancer

三阴性乳腺癌治疗中，基于透明质酸（HA）的生物相容性递送平台通过静电作用负载钴基Metallacarborane（CoSAN），保持其抗癌活性并实现pH依赖性缓释。研究证实该复合物在MDA-MB-231细胞中的摄取效率与游离CoSAN相当，同时通过EDX、NMR和DOSY表征验证了均匀负载，释放动力学显示在酸性肿瘤微环境中可持续释放24小时。

　　### 研究背景与意义

在癌症治疗领域，开发具有高靶向性和低毒性的新型药物递送系统一直是科研人员关注的重点。特别是对于三阴性乳腺癌（Triple-Negative Breast Cancer, TNBC），由于其缺乏雌激素、孕激素和HER-2受体，传统靶向治疗手段难以奏效，使得TNBC的治疗面临严峻挑战。因此，探索新的药物载体，以提高药物在肿瘤细胞中的靶向性，同时减少对正常细胞的毒性，成为当前研究的重要方向。

近年来，金属卡硼烷（metallacarboranes）因其独特的结构和生物活性，被广泛认为是癌症治疗的潜在候选药物。这些化合物由一个或多个金属原子与硼氢化物结构结合而成，其结构的刚性和三维σ芳香性使其在生理环境中表现出良好的稳定性，同时还能有效抵抗DNA的相互作用，从而延长其在体内的作用时间。在BNCT（硼中子俘获治疗）中，卡硼烷被用于局部富集硼原子，以提高治疗效果。此外，研究发现，卡硼烷及其金属衍生物可以通过与有机生物分子的结合，形成具有协同效应的复合结构，这为它们在药物递送领域的应用提供了新的思路。

在这一背景下，研究人员尝试将金属卡硼烷负载到具有生物相容性的聚合物材料中，以提高其在肿瘤细胞中的靶向性并降低全身毒性。透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）作为一种天然存在的多糖，因其良好的生物相容性、可降解性和对CD44受体的高度亲和性，被广泛应用于药物递送系统。CD44受体在多种上皮来源的癌症中高度表达，参与细胞粘附、迁移和抗凋亡等过程，因此成为肿瘤靶向治疗的重要靶点。基于这一特性，研究团队提出了一种非共价结合的HA-赖氨酸（HA-Lys）复合材料，用于负载金属卡硼烷，特别是钴-卡硼烷（CoSAN），以实现其在肿瘤细胞中的高效递送和释放。

### 材料合成与结构表征

为了实现CoSAN的非共价结合，研究团队首先对HA进行了功能化修饰，使其带有正电荷，从而与CoSAN（带负电荷）形成静电相互作用。他们选择使用L-赖氨酸（Lys）作为功能化试剂，因为Lys不仅能够提供正电荷，还在细胞粘附和胶原蛋白交联中发挥重要作用。此外，Lys的氨基可以与HA的羧基发生反应，形成稳定的共价键，从而提高复合材料的稳定性。

HA的功能化过程在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中进行，pH值设定为6，以确保反应的顺利进行。反应完成后，通过乙醇沉淀去除未反应的试剂和副产物，随后在1M HCl和三氟乙酸（TFA）的混合溶液中去除保护基团（Boc），以形成具有活性氨基的HA-Lys材料。通过核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对合成材料进行了表征，确认了Lys成功修饰到HA分子上，并且保留了其原有的结构和化学特性。

为了进一步验证CoSAN的负载情况，研究团队采用能量色散X射线光谱（EDX）对HA-Lys-CoSAN复合材料进行了元素分布分析。结果显示，钴和硼在材料中均匀分布，且其原子比例符合预期的Co:B = 1:3.3。此外，扫描电子显微镜（SEM）图像也证实了HA-Lys-CoSAN复合材料具有多孔结构，这有助于药物的释放和细胞的摄取。

### 药物递送系统的性能评估

在完成材料合成后，研究团队进一步评估了HA-Lys-CoSAN复合材料的生物活性和细胞摄取能力。他们选择了三阴性乳腺癌细胞系MDA-MB-231和正常人成纤维细胞系HDF作为实验对象，以比较复合材料与游离CoSAN在不同细胞类型中的作用差异。通过细胞活力实验（cell viability assay）和刺激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）显微成像，研究团队发现HA-Lys-CoSAN复合材料在细胞摄取方面与游离CoSAN表现出相似的效率，但在细胞毒性方面具有更高的选择性。

具体而言，细胞活力实验结果显示，在相同浓度下，HA-Lys-CoSAN复合材料对MDA-MB-231细胞的抑制效果显著优于对HDF细胞的影响。这表明HA-Lys的引入不仅没有降低CoSAN的生物活性，反而可能通过其与细胞膜的相互作用，增强了药物在肿瘤细胞中的摄取效率。此外，SRS显微成像进一步支持了这一发现，显示HA-Lys-CoSAN在细胞内的分布模式与游离CoSAN相似，但其在细胞内的浓度更高，从而增强了其抗肿瘤活性。

### 药物释放行为研究

为了评估HA-Lys-CoSAN复合材料在体内的药物释放行为，研究团队采用紫外-可见光谱（UV–Vis）结合透析法（dialysis method）进行实验。实验中，HA-Lys-CoSAN复合材料被封装在具有14kDa分子量截断的透析膜中，并置于模拟生理条件的PBS溶液中。透析膜能够保留大分子复合物，而允许CoSAN分子自由扩散出来，从而实现药物的可控释放。

实验结果表明，在不同pH条件下，CoSAN的释放行为存在显著差异。在pH 7.4（模拟正常组织环境）下，CoSAN的释放速度较快，而在pH 6.0（模拟肿瘤微环境）下，释放速度明显减缓。这种pH依赖性释放行为可以归因于Lys在酸性条件下的质子化作用，从而增强了其与CoSAN之间的静电相互作用，使药物在肿瘤微环境中能够缓慢释放，提高治疗的靶向性和持久性。相比之下，在正常组织中，由于pH值较高，Lys的去质子化程度增加，静电相互作用减弱，导致药物更快释放。

### 药物释放机制与应用前景

HA-Lys-CoSAN复合材料的释放行为不仅受到pH的影响，还可能与HA本身的物理化学特性有关。HA是一种具有高度水合特性的多糖，其多孔结构和亲水性有助于药物的缓慢释放。此外，HA的分子量和结构也会影响其与CoSAN的结合能力，从而影响药物的释放速率。

通过实验数据可以看出，HA-Lys-CoSAN复合材料在肿瘤微环境中能够实现更持久的药物释放，这有助于提高药物在肿瘤部位的累积浓度，从而增强其治疗效果。同时，这种释放行为也减少了药物对正常组织的毒性，提高了治疗的安全性。这一特性对于癌症治疗尤为重要，因为肿瘤微环境通常具有较低的pH值，而正常组织的pH值较高，因此通过pH响应性释放可以实现更精准的药物递送。

此外，研究团队还通过计算释放动力学参数，进一步验证了HA-Lys-CoSAN复合材料的可控释放能力。实验数据显示，HA-Lys-CoSAN在pH 6.0条件下的释放速率较慢，而pH 7.4条件下的释放速率较快。这一现象表明，HA-Lys-CoSAN复合材料能够在肿瘤微环境中保持较高的药物浓度，而在正常组织中能够快速释放，从而减少全身毒性。这种pH响应性释放机制为开发具有智能响应特性的药物递送系统提供了新的思路。

### 细胞摄取与治疗效果

为了进一步探讨HA-Lys-CoSAN复合材料在细胞内的摄取机制，研究团队采用SRS显微成像技术对MDA-MB-231细胞进行了观察。SRS技术因其高空间分辨率和快速成像能力，成为研究药物在细胞内分布的理想工具。实验结果显示，HA-Lys-CoSAN复合材料在细胞内的摄取效率与游离CoSAN相当，但其在细胞内的分布更加均匀，这可能与HA的多孔结构和与细胞膜的相互作用有关。

细胞摄取实验还表明，HA-Lys-CoSAN复合材料在细胞内的累积量高于游离CoSAN，这可能与其在细胞膜上的吸附能力有关。HA的多糖结构能够与细胞膜表面的受体发生相互作用，从而促进药物的内吞作用。此外，Lys的引入可能通过增强HA的亲水性和与细胞膜的结合能力，进一步提高药物的摄取效率。

在细胞毒性方面，实验结果显示，HA-Lys-CoSAN复合材料对MDA-MB-231细胞的抑制效果显著优于对HDF细胞的影响。这表明该复合材料具有良好的选择性，能够有效区分肿瘤细胞和正常细胞，从而减少对正常组织的损伤。同时，细胞活力实验和细胞死亡率的测定也进一步支持了这一结论，表明HA-Lys-CoSAN在肿瘤细胞中表现出更高的活性。

### 结论与展望

综上所述，本研究成功开发了一种基于HA-Lys的非共价结合复合材料，用于负载钴-卡硼烷（CoSAN）。该复合材料不仅保留了CoSAN的生物活性，还通过HA的靶向性和Lys的引入，实现了对三阴性乳腺癌细胞的高效递送和选择性释放。实验结果表明，HA-Lys-CoSAN在细胞内的摄取效率与游离CoSAN相当，但在肿瘤微环境中能够实现更持久的药物释放，从而提高治疗效果。

这一研究为金属卡硼烷类药物的递送系统设计提供了新的思路，同时也为三阴性乳腺癌的靶向治疗开辟了新的途径。未来的研究可以进一步探索HA-Lys-CoSAN在体内环境中的行为，包括其在血液中的稳定性、在不同组织中的分布以及其对其他类型癌症的治疗效果。此外，还可以尝试将该递送系统与其他靶向分子结合，以提高其在特定癌症类型中的适用性。

总之，HA-Lys-CoSAN复合材料的开发不仅提高了金属卡硼烷在肿瘤细胞中的靶向性和释放效率，还为癌症治疗提供了一种新的策略。这种结合了天然多糖和氨基酸的递送系统，有望在未来成为一种高效、安全的抗癌药物载体，为癌症治疗带来新的希望。