纳米工程水凝胶通过光热-化学动力学协同作用破坏肿瘤抗氧化防御并增强氧化应激

本研究针对钌基纳米材料在肿瘤治疗中存在的系统毒性高、疗效不足及肿瘤抗氧化防御机制削弱化学动力学效果等关键问题，开发了一种多功能治疗平台Ru-PC-PEITC-ALG。该平台通过钌离子与原花青素(PC)配位自组装形成纳米颗粒，并与异硫氰酸苯乙酯(PEITC)共载于海藻酸钠水凝胶中，实现了光热-化学动力学协同治疗。研究证实该平台能通过PEITC介导的谷胱甘肽(GSH)耗竭破坏肿瘤抗氧化防御，同时利用Ru-PC的过氧化物酶(POD)样活性催化H2O2转化为高毒性羟基自由基(-OH)，结合808 nm激光照射产生的光热效应显著增强治疗效果。动物实验显示其能有效抑制肿瘤生长并激活凋亡/铁死亡通路，为金属-多酚配位纳米材料的肿瘤治疗提供了新范式。

　　

在肿瘤治疗领域，钌(Ru)基纳米材料因其独特的光热转换效率和pH普适的类芬顿催化活性备受关注。然而现有技术面临三重困境：高系统毒性限制临床应用、单一疗法效果有限、肿瘤细胞内丰富的谷胱甘肽(GSH)会中和产生的活性氧(ROS)导致治疗失效。这些问题如同坚固的"抗氧化盔甲"，严重阻碍了钌基纳米材料的治疗潜力。

为突破这些限制，Ye等研究团队在《Journal of Nanobiotechnology》发表创新性研究，设计了一种名为Ru-PC-PEITC-ALG的智能纳米平台。该平台巧妙融合了天然多酚与原花青素(PC)的金属配位能力、异硫氰酸苯乙酯(PEITC)的GSH耗竭特性，以及海藻酸钠(ALG)水凝胶的精准递送优势，构建出"破甲-增效"的双重治疗策略。

研究采用配位自组装法制备Ru-PC纳米颗粒，通过流变学表征验证水凝胶载药系统的物理性质，利用紫外-可见光谱和红外热成像评估光热性能。体外实验采用CCK-8法检测细胞活性，结合转录组测序揭示作用机制，最后通过4T1乳腺癌小鼠模型验证治疗效果。主要技术路线包括：钌离子与PC的配位化学合成、水凝胶载药系统的构建与表征、体外细胞毒性及凋亡检测（Annexin V-FITC/PI双染）、线粒体膜电位(JC-1)和GSH(ThiolTracker? Violet)检测、以及体内抗肿瘤效果评价。

Ru-PC的表征

透射电镜显示Ru-PC形成2-5 nm的均匀纳米颗粒，X射线光电子能谱证实钌以Ru⁴⁺形式存在。这种小尺寸特性赋予其优异的组织穿透能力，为后续治疗奠定基础。

多重酶活性验证

研究证实Ru-PC具有双重酶模拟活性：作为过氧化物酶(POD)可催化TMB和OPD底物显色，最大吸收峰分别位于652 nm和442 nm；同时具备谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)样活性，能剂量依赖性地消耗GSH。这种"攻守兼备"的特性使其能同时增强ROS生成并削弱肿瘤防御。

水凝胶系统的理化特性

扫描电镜显示Ru-PC-PEITC-ALG具有多孔结构，负载量达40%。流变学测试证实添加药物后水凝胶仍保持优异的形变恢复能力，在模拟肿瘤微环境(TME)中可持续释放72小时，为长效治疗提供保障。

光热性能突破

在808 nm激光(1.5 W/cm²)照射下，含200 μg/mL Ru-PC的水凝胶4分钟内升温至55°C，且经过三次循环后性能无衰减。这种高效稳定的光热转换能力为协同治疗提供了热源基础。

体外抗肿瘤机制

细胞实验显示联合治疗组( Ru-PC-PEITC-ALG+激光)使4T1细胞存活率降至20%，显著优于单药组。机制研究发现：

1. 1.

   PEITC通过形成GSH-PEITC加合物使GSH水平下降83%

2. 2.

   激光照射使细胞内ROS水平提升4.7倍

3. 3.

   JC-1染色显示线粒体膜电位显著瓦解

   转录组分析发现线粒体电子传递链基因(mt-Nd1、mt-Co1等)下调，同时凋亡相关通路(PI3K-Akt)和铁死亡标记物显著激活。

体内治疗效果

在4T1移植瘤模型中，联合治疗组肿瘤体积缩小72%，且无复发。组织学分析显示：

• •

  H&E染色呈现大面积液化坏死

• •

  Ki67阳性率下降89%

• •

  TUNEL检测到广泛DNA断裂

• •

  Caspase-3表达上调证实凋亡通路激活

生物安全性评估

溶血实验证实材料在400 μg/mL浓度下仍安全，主要脏器未见病理损伤。血液生化指标均保持正常范围，解决了传统钌制剂毒性高的临床痛点。

这项研究通过"精准递送+抗氧化破防"的创新策略，实现了三重突破：

1. 1.

   利用天然多酚配位降低金属毒性，提高生物相容性

2. 2.

   通过PEITC解除肿瘤的GSH防御，放大氧化损伤效应

3. 3.

   光热效应加速类芬顿反应动力学，建立自增强的治疗循环

该工作不仅为克服肿瘤抗氧化抵抗提供了新思路，更开创了金属-植物多酚配位纳米材料的设计范式，其模块化构建策略可拓展至其他过渡金属与生物活性分子的组合，为下一代纳米药物开发指明方向。