综述：炎症中的活性氧清除纳米抗氧化剂：设计与治疗

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《Acta Biomaterialia》：Reactive Oxygen Species-Scavenging Nanoantioxidants in Inflammation: Design and Therapy

【字体：大中小】 时间：2025年12月29日 来源：Acta Biomaterialia 9.6

编辑推荐：

　　基于近红外光调控的线粒体-隧道纳米管协同递送系统，研究证实 mild NIR 照射通过适度氧化应激促进 TNTs 形成和 IR780/Mito 跨细胞转运，实现肿瘤深层穿透；而 intense NIR 引发过量 ROS 破坏 TNTs 结构，阻断递送。该策略为可控内源性药物递送开辟新途径。

杜一添|彭一伟|杨一良|杨振振|高大同|李佳佳|林萌|齐献荣

北京大学药学院分子药剂学与新药递送系统重点实验室，中国北京市海淀区学园路38号，邮编100191。

摘要

药物递送的效果，尤其是在固体肿瘤中，受到一系列生物屏障的严重阻碍——包括密集的细胞外基质、高的组织间液压力和低效的血管化——这些因素限制了治疗的渗透和分布。生物材料，如细胞、细胞外囊泡和细胞器，可以作为生物相容性和靶向递送载体，具有显著的治疗潜力。然而，目前大多数策略都强调多功能和仿生递送系统，旨在穿越细胞外基质，往往忽视了细胞内运输途径。在这里，我们证明了线粒体及其搭载的货物可以通过隧道纳米管（TNTs）进行运输，TNTs是连接细胞的连续细胞质桥梁。氧化应激在刺激TNTs的形成和线粒体转移中起着关键作用。通过利用TNTs作为细胞内高速公路，我们实现了光敏剂IR780的细胞间运输和深层组织渗透，IR780被搭载在线粒体上（标记为IR780/Mito）。近红外（NIR）光的强度通过调节IR780激发时产生的氧化应激水平来控制TNTs的动态，从而促进其形成或诱导其断裂。在轻微的NIR照射下，适度的氧化应激会增强TNTs的形成并促进IR780/Mito的转移，实现直接进入肿瘤细胞的有效递送。相反，强烈的NIR照射会引发过量的活性氧（ROS）产生，导致TNTs断裂并随后阻断IR780/Mito的运输。这些发现为利用TNTs运输通道实现不同类型货物的可控细胞内运输提供了新的机会，未来在多种疾病的诊断和治疗中具有广泛而有前景的应用。

意义声明

本研究介绍了一种基于生物启发的药物递送平台，该平台利用隧道纳米管（TNTs）——天然的细胞间连接——来实现负载线粒体的光敏剂IR780的有效运输。通过利用近红外（NIR）光，我们精确调节氧化应激水平以控制TNTs的形成和完整性。在轻微的照射下，适度的ROS增强促进了TNT介导的细胞间转移，有助于深层肿瘤渗透；强烈的照射会产生过量的ROS，导致TNTs断裂并停止药物递送。这种由线粒体驱动的方法实现了空间和时间上的药物分布调节，并克服了细胞外屏障。该策略提供了一种高度生物相容性和可调的替代方案，适用于需要细胞间通信的精准癌症治疗和其他疾病。

引言

药物递送必须克服一系列生物障碍，包括组织屏障、细胞摄取和细胞内运输。合成纳米颗粒的发展通过实现细胞特异性靶向和细胞器定向的分子运输，显著推进了精准医学的发展^[¹^,²^,³。迄今为止，至少有15种用于癌症治疗的纳米药物获得了监管批准，包括基于脂质、聚合物和蛋白质的纳米颗粒（例如Onpattro、Doxil和Abraxane）^[⁴。然而，外源性载体很快被网状内皮系统（RES）识别并清除，这降低了靶向效率并引发了潜在毒性的担忧。因此，天然颗粒作为药物递送的替代品应运而生^[⁵。研究人员开发了多种仿生药物递送策略，如生物工程病原体和真核细胞、细胞膜包覆的纳米颗粒、体内细胞搭便车系统以及基于细胞外囊泡（EV）的纳米颗粒，这些策略已被用于递送蛋白质、小干扰RNA和其他治疗剂^[⁶^,⁷^,⁸^,⁹。其中，基于EV的递送系统模仿了自然的细胞间通信，并表现出低免疫原性，从而避免了RES的清除并有效地穿越内皮屏障。几种基于EV的治疗剂目前正在临床试验中，突显了它们作为下一代药物递送和免疫治疗平台的潜力^[¹¹。尽管取得了这些进展，但由于持续的细胞外屏障，临床效果仍不尽如人意，特别是在固体肿瘤中。这些障碍包括密集的细胞外基质、升高的组织间液压力和肿瘤异质性^[¹²^,¹³。尽管传统的多功能和仿生递送系统旨在解决这些挑战，但它们通常过于复杂且效果有限^[¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷。值得注意的是，即使在最初的靶向成功之后，治疗剂在肿瘤组织内的扩散仍然受到限制。W. Chan等人报告称，癌症纳米药物的递送效率低于1%^[¹⁸。需要注意的是，这个1%的值通常指的是系统给药剂量最终到达并被肿瘤细胞内化的百分比——这一指标可能因实验条件而大不相同。尽管如此，这一严峻的现实突显了一个关键的知识空白：虽然细胞外递送策略已经得到了广泛探索，但利用内在的细胞内通信途径实现深层组织渗透的潜力仍很大程度上未被开发。 ^{在我们之前的研究中，我们发现隧道纳米管（TNTs）是从工程化的小胶质细胞到胶质瘤细胞传递药物的重要通道，增强了抗肿瘤效果^[⁶。这些发现强烈表明，TNTs——作为连接细胞的短暂性肌动蛋白基膜通道——可以作为细胞内高速公路，绕过细胞外空间直接传递货物。TNTs最早由Rustom等人于2004年描述为“纳米管高速公路”，促进了包括蛋白质、细胞器和病原体在内的各种货物的细胞间运输^[¹⁹^,²⁰^,²¹。TNTs网络已被观察到可以连接多种细胞类型，在正常生物过程（如胚胎发育和稳态维持）和病理条件（包括病原体传播、肿瘤进展和治疗抵抗）中发挥双重生理作用^[²³^,²⁴^,²⁵。虽然已经探索了TNTs的抑制作用以对抗疾病传播^[²⁶^,²⁷，但它们在控制药物递送方面的潜力仍未得到充分利用。与EV的成功类似，我们假设TNTs代表了另一种天然的细胞间通信机制，可以用于高效递送外源性物质，如药物和成像探针。重要的是，TNTs介导的运输可能克服细胞外屏障并增强组织渗透。} ^{线粒体作为动态的细胞能量工厂，会在应激和能量需求下发生形态和位置变化。精准医学针对线粒体的治疗可以改变癌细胞的营养可用性和氧化还原稳态，提高抗肿瘤治疗的效率^[²⁸^,²⁹。Spees等人在2006年首次证明，来自间充质干细胞（MSCs）的线粒体转移可以恢复受体细胞的有氧呼吸^[³⁰。后续研究表明，细胞间的线粒体转移有助于组织恢复、应激调节、肿瘤免疫抑制和药物抵抗^[³¹^,³²^,³³^,³⁴^,³⁵。值得注意的是，线粒体是理想的细胞内载体，因为它们具有强烈的负膜电位（有利于阳离子药物的积累）、高效的TNTs介导的运输（避免内体-溶酶体降解）以及天然的能力，能够定位到受压细胞，从而实现深层组织渗透和靶向递送^[³⁶。基于这些发现，我们提出了一种有前景的策略：通过利用线粒体作为细胞内载体，通过TNTs将治疗剂输送穿过组织屏障，我们可以实现高效、靶向和非内体的治疗剂递送，直接进入受体细胞的细胞质，从而克服细胞外屏障并提高固体肿瘤中的药物效果。} ^{在这项研究中，我们研究了氧化应激在调节TNTs形成和线粒体转移中的作用。我们证明了当光敏剂IR780被搭载在线粒体上（IR780/Mito）时，可以通过TNTs运输到肿瘤球体中。关键的是，近红外（NIR）光照射IR780会产生活性氧（ROS），动态调节TNT的完整性和IR780/Mito的转移。轻微的NIR照射诱导了适度的氧化应激，促进了TNT的形成和细胞间递送，而强烈的照射则产生了过量的ROS，导致TNTs断裂并停止了运输。这些发现建立了一个光操作的细胞内药物递送平台，对精准医学具有广泛的意义。}

材料

Dulbecco's Minimum Essential Medium (DMEM)、RPMI 1640培养基、青霉素-链霉素、胰蛋白酶和4%甲醛均来自Macgene Technology（北京，中国）。放射免疫沉淀测定（RIPA）裂解缓冲液、PMSF和BCA蛋白测定试剂盒购自Beyotime Biotechnology（北京，中国）。5-氯甲基荧光素二乙酸酯（CMFDA）（CAS: 136832-63-8）、MitoTracker Deep Red FM（CAS: 873315-86-7）、MitoTracker Red CMXRos（CAS: 167095-09-2）、MitoTracker Green FM（CAS:

氧化应激通过TNTs增加TNTs的形成和线粒体转移

^{M-Sec蛋白，也称为肿瘤坏死因子α诱导蛋白（TNFAIP2）或B94蛋白，是TNTs形成的关键标志物^[⁴⁰。我们对在正常条件和应激条件下培养的PC12细胞中的M-sec蛋白进行了Western blot分析，包括由H₂O₂、无血清培养基、缺氧、紫外线（UV）照射和40°C高温引起的氧化应激。M-sec蛋白在氧化应激、缺氧和高温处理后显著增强}