《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：A H2O2-Self-Supplying and Oxygen-Evolving Nanosystem for Amplified Chemodynamic Therapy of Breast Cancer
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本研究开发了一种基于β-拉帕替酮的多功能纳米系统（HML），通过靶向肿瘤微环境实现Mn2+和β-LAP的同步释放，利用Fenton-like反应持续生成羟基自由基，并借助MnO?的分解释放氧气以改善肿瘤缺氧。实验证实该体系可有效抑制乳腺癌细胞增殖并降低副作用。
吴一军|李龙霞|贾乐晨|王明阳|李文静|马一红|王晓晨|刘超群
河南大学药学院，开封475004，中国
摘要
乳腺癌仍然是全球范围内发病率和死亡率都很高的恶性肿瘤，迫切需要更有效的治疗方案。化学动力学疗法（CDT）作为一种新型癌症治疗方法受到了关注；然而，其治疗效果受到肿瘤内过氧化氢（H?O?）不足、缺氧环境以及谷胱甘肽（GSH）介导的抗氧化防御机制的严重制约。为了解决这些问题，我们开发了一种多功能纳米系统（简称HML），该系统由涂有透明质酸的中空二氧化锰纳米颗粒组成，并装载了β-拉帕酮（β-LAP）。当这些纳米颗粒在肿瘤部位靶向积累时，它们会在酸性和富含GSH的肿瘤环境中解体，从而同时释放Mn2?和β-LAP。这一过程有效地耗尽了GSH并在原位生成氧气，从而缓解了肿瘤缺氧。重要的是，释放的β-LAP作为一种内源性H?O?生成剂，在Mn2?的催化下通过类似芬顿的反应产生极具细胞毒性的羟基自由基，导致肿瘤细胞发生致命的氧化应激和强烈的凋亡。广泛的体外和体内评估证实，HML纳米系统能够有效抑制肿瘤生长，同时副作用极小。
引言
乳腺癌是全球范围内最常见且威胁生命的恶性肿瘤之一，其高发病率和死亡率令人担忧[1]、[2]。目前的临床治疗主要依赖于手术切除、放疗和化疗的综合性方案[3]。然而，这些传统方法通常存在诸多局限性，包括疗效较低、靶向特异性差以及显著的系统性毒性[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。随着精准医学的发展，人们越来越重视开发既高效又具有更好生物安全性的创新治疗方法。
近年来，化学动力学疗法（CDT）作为一种前沿的肿瘤治疗方法受到了广泛关注[10]、[11]。该方法利用肿瘤微环境的独特条件激活芬顿型反应，从而产生能够选择性诱导癌细胞死亡的羟基自由基（·OH）[12]、[13]、[14]、[15]。尽管前景广阔，但CDT的实际应用受到两个关键限制的制约。首先，肿瘤组织中天然存在的过氧化氢（H?O?）水平远低于维持有效芬顿反应所需的水平，导致·OH生成不足[16]。其次，恶性肿瘤细胞中过量的谷胱甘肽（GSH）会中和·OH，形成强大的抗氧化防御机制，严重削弱了CDT的疗效[17]、[18]。因此，克服H?O?不足和GSH介导的抗氧化抵抗是提高CDT临床应用效果的关键挑战[19]、[20]。
β-拉帕酮（β-LAP）[21]是一种抗肿瘤化合物，它通过NAD(P)H醌脱氢酶1（NQO1）的催化作用生成超氧阴离子，这些超氧阴离子随后通过超氧化物歧化酶（SOD）转化为H?O?[22]、[23]、[24]。这一特性使β-LAP成为癌症治疗的理想内源性H?O?供体。然而，β-LAP的治疗效果高度依赖于氧气，而实体瘤的缺氧环境严重限制了NQO1介导的氧化还原循环，从而限制了其疗效[25]。因此，构建一种既能耗尽GSH又能缓解缺氧的基于β-LAP的CDT平台对于增强抗癌治疗效果具有重要意义。
在这项研究中，我们开发了一种能够自我供给H?O?并释放氧气的纳米系统，以增强针对乳腺癌的化学动力学疗法效果。如图1所示，β-LAP被装载到中空二氧化锰（MnO?）纳米颗粒中，并进一步用透明质酸（HA）包覆，形成名为HA@HM@β-LAP（HML）的靶向纳米系统。选择透明质酸涂层不仅因为它能够主动靶向CD44过度表达的肿瘤细胞，还因为它具有优异的生物相容性、可降解性以及提高纳米颗粒稳定性和循环时间的能力[26]、[27]。这种涂层防止了药物过早泄漏，并增强了肿瘤特异性递送。在肿瘤细胞内化后，HML纳米颗粒在酸性且富含GSH的环境中分解，同时释放Mn2?和β-LAP。β-LAP持续供给H?O?，而Mn2?不仅耗尽了GSH，还分解了MnO?外壳，释放出O?，有效缓解了肿瘤缺氧。随后，Mn2?在弱酸性环境中进一步触发类似芬顿的反应，将内部生成的H?O?转化为高毒性的·OH[28]。这项研究展示了一种多级放大策略，整合了GSH耗尽、缺氧缓解、H?O?自我生成和增强CDT的效果，为乳腺癌的治疗提供了新的概念框架。
SiO?纳米颗粒的合成
反应混合物包含140毫升乙醇（EtOH）、20毫升去离子水和5毫升NH?·H?O，在45°C下以600转/分钟（600 rpm）的速度搅拌30分钟，然后加入5毫升TEOS，继续搅拌3小时。通过离心（12,000 rpm，10分钟）分离产物，产物依次用去离子水和乙醇洗涤后进行冷冻干燥。
MnO?@SiO?纳米颗粒的合成
200毫克的SiO?纳米颗粒悬浮在40毫升去离子水中，然后转移到含有60毫升乙醇的去离子水中进行反应。
HA@HM纳米颗粒的合成与表征
首先通过St?ber方法[31]、[32]合成SiO?纳米颗粒，然后利用剩余的有机硅化合物还原KMnO?，形成表面沉积有MnO?的MnO?@SiO?。随后用Na?CO?进行蚀刻，得到中空结构的HM纳米颗粒。最后在HM表面涂覆透明质酸，得到最终的HA@HM纳米颗粒。通过TEM观察了从固态SiO?到涂覆HA@HM的结构变化（图1a-d）。
结论
本研究成功设计了一种用于乳腺癌治疗的级联纳米治疗系统，该系统能够自我供给H?O?并在原位生成氧气，从而增强CDT的效果。设计的HML纳米颗粒通过透明质酸介导的主动靶向作用在肿瘤部位积累，并根据肿瘤微环境释放β-LAP，持续供给H?O?。通过协同整合GSH耗尽、氧气自我供给和ROS爆发机制，该系统显著提升了治疗效果。
CRediT作者贡献声明
刘超群：撰写、审稿与编辑、资金申请、概念构思。王明阳：实验研究、数据管理。李文静：实验研究、数据管理。马一红：实验研究、数据管理。王晓晨：实验研究、数据管理。吴一军：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、资金申请、概念构思。李龙霞：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据管理。贾乐晨：数据可视化、实验研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究的资金支持来自中国国家自然科学基金（项目编号22307033）和河南省医学科学技术研究项目（项目编号SBGJ202302090和LHGJ20240382）。
