Pt@MnO2-Au-HA多功能纳米酶重塑肿瘤微环境协同增强靶向葡萄糖代谢的饥饿疗法与放疗

《Materials & Design》：A multifunctional nanozyme for modulating the tumor microenvironment to synergistically enhance cancer treatment

　　

Pt@MnO₂-Au-HA纳米药物具有核-壳-卫星结构，并展现出主动肿瘤靶向能力和多酶模拟活性。该纳米药物通过协同整合靶向葡萄糖代谢的饥饿疗法与放射治疗（RT），重塑肿瘤微环境（TME）以增强抗肿瘤疗效。

放射治疗（RT）是临床常用的局部抗肿瘤手段，通过电离辐射诱导活性氧（ROS）产生以杀伤肿瘤。然而，肿瘤异质性和独特的肿瘤微环境（TME）显著削弱了放疗疗效。TME中谷胱甘肽（GSH）浓度较正常组织高出10～100倍，且长期处于缺氧状态（局部氧分压低于10?mmHg），这些特征抑制ROS生成，并异常调控凋亡信号，促进血管生成、侵袭和转移，导致治疗抵抗和复发风险升高。因此，缓解缺氧并消耗瘤内GSH是提高肿瘤放疗敏感性的关键策略。纳米酶作为兼具纳米材料物化特性和天然酶催化功能的仿生催化剂，具有结构稳定、催化活性可调、生物相容性好等优势。但单组分纳米酶通常仅能催化单一反应，难以同时调控TME中多个相互关联的病理特征。级联纳米酶可依次催化偶联反应，使前一步产物成为下一步底物，形成自持且协同的催化体系。基于此，研究人员设计并合成了一种三金属杂合纳米酶Pt@MnO₂-Au-HA，用于重塑TME，协同增强靶向葡萄糖代谢的饥饿疗法与放疗。

该纳米药物具有精密的核-壳-卫星结构：Pt纳米颗粒为核心，MnO₂中间层兼具结构桥联和催化功能，外周负载Au纳米颗粒并接枝透明质酸（HA）以实现CD44受体介导的主动靶向。静脉注射后，Pt@MnO₂-Au-HA通过HA-CD44识别富集于肿瘤相关促炎巨噬细胞。在瘤内高H₂O₂微环境中，MnO₂发挥过氧化氢酶（CAT）样活性将H₂O₂分解为O₂；同时Au组分通过葡萄糖氧化酶（GOx）样活性消耗葡萄糖，实现饥饿治疗。瘤内高GSH使MnO₂还原溶解，既消耗GSH又释放Pt核心，Pt进一步催化H₂O₂分解产氧，从而缓解缺氧并增强氧依赖性放射敏感性。体外和体内实验均证实该纳米酶通过多酶级联重塑TME，显著提升放疗疗效。

关键技术方法方面，研究人员采用CTAB模板法合成多孔Pt纳米粒，经柠檬酸盐表面修饰后与高锰酸钾原位反应沉积MnO₂壳层，再通过胶体沉积法负载Au纳米粒，最终接枝HA和聚乙二醇（PEG）得到目标纳米复合物。材料表征使用透射电子显微镜（TEM）、高分辨TEM（HRTEM）、扫描透射电子显微镜-能谱（STEM-EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱、动态光散射（DLS）和Zeta电位分析。体外以小鼠4T1乳腺癌细胞和人肾近端小管上皮细胞HK-2为模型，采用CCK-8、克隆形成、ROS荧光探针、γ-H2AX免疫荧光、Western blot、划痕实验和Annexin V-FITC/PI流式细胞术评估效应。体内研究在4T1荷瘤BALB/c小鼠模型（每组5只）中进行，静脉注射后联合局部4?Gy X射线照射（每3天一次，共3次），监测肿瘤体积、生存期、体重，并通过H&E、Ki-67和TUNEL染色评估组织病理，同时检测血常规、肝肾功能和主要器官组织学。

3.1 合成与表征：通过TEM和HRTEM观察到清晰的核-壳-卫星结构：Pt核心直径约90?nm，MnO₂层包覆后水合粒径约120?nm，Au卫星颗粒均匀分布。STEM-EDS元素分布图证实Pt、Mn、Au、O均匀共存。XPS确认Mn⁴⁺为MnO₂主导价态，Pt同时以Pt⁰和Pt²⁺存在。XRD显示Pt和Au的特征衍射峰，MnO₂无明显衍射峰，表明其结晶度低。FTIR出现HA的特征吸收带，UV-vis显示Au表面等离子体共振（SPR）峰从531?nm红移至539?nm，证实HA成功接枝。上述表征共同证明Pt@MnO₂-Au-HA纳米平台的成功构建。

3.2 催化性能：溶解氧测量表明Pt@MnO₂-Au-HA可浓度依赖地催化H₂O₂分解产氧，且产氧量高于单独Pt或Pt@MnO₂。加入葡萄糖后溶解氧先升后降，ABTS显色增强、反应体系pH持续下降，高效液相色谱（HPLC）显示葡萄糖消耗率达99.47%，证实Au组分具有GOx样活性。以5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)（DTNB）为探针的GSH消耗实验显示，材料可时间依赖地清除GSH；TEM显示在含3?mM GSH溶液中孵育2?h后MnO₂层分解。稳态动力学拟合得到GOx样反应表观米氏常数K_m为11.97?mM，CAT样反应表观K_m为57.29?μM。这些结果证明材料具备多酶级联催化能力。

3.3 体外治疗性能：CCK-8分析显示，即使浓度达400?μg/mL，Pt@MnO₂-Au-HA作用24?h后4T1和HK-2细胞活力仍高于82%，溶血率低于5%，表明良好的生物相容性。与4T1细胞共孵育后，培养基残留葡萄糖水平显著低于对照组，显示出饥饿治疗能力。细胞活力实验显示，单独材料组存活率为76.5%，与单独放疗（4?Gy）相近；联合组降至44.6%，呈现协同杀伤效应。克隆形成实验进一步证明材料在2?Gy和4?Gy下显著抑制集落形成，说明其放疗增敏作用。Western blot显示材料单独或联合RT均下调缺氧诱导因子HIF-1α表达，联合组相对灰度值降至0.60，证实缓解缺氧。ROS荧光染色显示联合组ROS强度（162.153）远高于单独放疗（46.986），γ-H2AX核焦点数量显著增加，表明DNA双链断裂增多。划痕实验显示材料组伤口愈合率从对照的76.04%降至28.13%，抑制迁移。流式凋亡检测显示联合组总凋亡率最高。综上，Pt@MnO₂-Au-HA通过多酶协同放大氧化应激并增强放疗诱导的DNA损伤，同时抑制迁移和诱导凋亡。

3.4 体内治疗性能：在4T1荷瘤小鼠中，HA修饰提高了材料在肿瘤部位的Pt、Mn、Au蓄积并降低肝脏滞留。治疗21天后，联合组肿瘤体积仅134.9?±?4.0?mm³，显著小于PBS对照组（919.9?±?17.0?mm³）、单独材料组和单独放疗组。生存曲线显示联合组60天生存率最高，中位生存时间最长。各组体重变化轻微，提示耐受性良好。H&E染色显示联合组肿瘤细胞核固缩、核碎裂等损伤最显著；Ki-67阳性率最低；TUNEL红色荧光最强，凋亡水平最高。血常规、肝功能指标（ALT）、肾功能指标（BUN）均无显著异常，主要器官H&E未见明显病理变化，表明材料具有良好的体内生物安全性。

讨论重点围绕多酶级联重塑TME的机制：MnO₂和Pt的CAT样活性将瘤内H₂O₂转化为O₂，缓解缺氧并下调HIF-1α；Au的GOx样活性消耗葡萄糖导致代谢应激，同时产生H₂O₂为CAT反应提供底物；MnO₂还原消耗GSH削弱抗氧化防御。三者协同放大ROS，增强放疗诱导的DNA双链断裂和凋亡。HA修饰通过CD44受体实现肿瘤选择性富集，避免了单组分纳米酶只能催化单步反应的局限，实现了饥饿治疗与放疗的协同增效。

研究结论：研究人员开发了一种功能性Pt@MnO₂-Au-HA纳米药物，具有精确构建的核-壳-卫星结构：催化活性的Pt核心、具有固有CAT模拟活性的均匀MnO₂中间层，以及作为GOx模拟物的空间分散Au纳米颗粒。表面功能化HA后，该纳米药物在静脉注射后通过CD44受体介导选择性蓄积于促炎肿瘤相关巨噬细胞。在富含H₂O₂的肿瘤微环境中，MnO₂将内源性H₂O₂分解为O₂，缓解缺氧，同时驱动Au介导的葡萄糖氧化，消耗局部葡萄糖并诱导代谢饥饿。同时，升高的瘤内GSH触发MnO₂还原性溶解，消耗GSH并实现Pt核心的受控释放。新暴露的Pt表面进一步通过CAT样活性促进O₂生成，强化缺氧缓解并增强放疗相关的氧化应激和DNA损伤。该研究强调了通过合理调节肿瘤微环境来提高癌症治疗效果的纳米药物潜力。