纳米铂嵌入的沸石咪唑框架-8用于增强癌症的放射免疫疗法

《Biomaterials Advances》：Nano?platinum-embedded zeolitic imidazolate framework-8 for the enhanced radio-immunotherapy of cancer

　　

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  制备了嵌入沸石咪唑框架-8（ZIF-8）中的铂（Pt）纳米颗粒，并进一步将其负载在热敏Pluronic F127水凝胶上。
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  Pt/ZIF@F127水凝胶能够在酸性环境中释放锌（Zn），并在含有过氧化氢（H₂O₂）的环境中产生氧气。
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  Pt/ZIF@F127水凝胶能够增强X射线对肿瘤细胞的DNA损伤和免疫细胞杀伤作用，owel 体外 体内 都如此。
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  Pt/ZIF@F127水凝胶结合X射线照射，可以有效抑制原发肿瘤和远处肿瘤的生长。

引言

癌症因其高发病率和死亡率已成为全球第二大死亡原因[1]。在治疗癌症方面，临床上采用了手术、化疗、放疗（RT）等多种方法，并且这些方法一直在不断改进[2]、[3]、[4]。其中，放疗不仅可以通过电离辐射直接杀死癌细胞，还能触发和增强全身抗肿瘤免疫，这使得它成为大多数癌症患者治疗过程中的重要手段[5]、[6]。然而，电离辐射（尤其是X射线）的效果需要进一步提高，以增强其对照射区域肿瘤组织的杀伤能力，并提升局部放疗对全身抗肿瘤免疫的刺激作用[6]、[7]。X射线的生物学效应主要通过直接与细胞内的生物大分子（如DNA）相互作用，或者通过与水分子反应生成活性氧（ROS）后再作用于细胞来实现[7]、[8]、[9]。在整个放疗过程中，X射线与肿瘤组织的相互作用方式、肿瘤细胞的状态以及特定的肿瘤微环境是影响放疗效果的主要因素[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。此外，提高局部放疗的效率将进一步通过增强肿瘤细胞的免疫细胞杀伤（ICD）和激活干扰素基因的环式GMP-AMP合成酶刺激途径（cGAS-STING途径）来增强其对全身抗肿瘤免疫的刺激作用[4]、[6]。值得注意的是，cGAS-STING途径将DNA损伤与免疫反应联系起来，促进I型干扰素的分泌，从而激活先天性和适应性免疫反应[11]、[12]、[13]、[14]。这样一来，结合相关的放疗增敏剂和/或免疫增强剂，局部X射线照射可以有效地消除受照射的肿瘤并抑制远处未受照射肿瘤的组织生长[6]、[7]、[8]。

近年来，无机生物材料在提高肿瘤放疗和免疫疗法效果方面展现了优异的优势[15]、[16]、[17]。首先，由于许多含有高Z（锌）无机元素可以增加X射线的原子截面，因此开发出了大量含有这些元素的纳米颗粒，并用于放疗增敏治疗[18]、[19]、[20]。值得注意的是，这些元素中包括许多贵金属元素，如铂（Pt）和金（Au），它们还可以用来制备具有多种模拟酶活性的纳米颗粒[21]、[23]。这些纳米酶能够有效改变肿瘤微环境，例如降低肿瘤缺氧程度和增加肿瘤内的ROS水平，从而有利于后续的肿瘤放疗和免疫疗法[20]、[23]、[24]、[25]。同时，无机生物材料还可以改变其他肿瘤微环境因素，如乳酸水平，对各种肿瘤治疗的效果产生显著影响[26]、[27]。此外，许多金属离子具有独特的生理和病理作用[28]、[29]、[30]。例如，钙离子可以作为重要的信号分子对不同类型的细胞产生特定影响；铜离子和铁离子分别可以加速肿瘤细胞的死亡；锰离子和锌离子有利于激活cGAS-STING途径[24]、[29]、[30]、[31]。此外，锌离子（Zn²⁺）的过量存在还可以抑制糖酵解过程，减少肿瘤组织中的乳酸生成，通过抑制DNA损伤修复和干扰相关分子的乳酸化修饰来增强放疗和免疫疗法的效果[32]。最后，当肿瘤细胞中的金属离子（包括锌离子）含量过高时，会增加细胞内的ROS水平，从而提高其对放疗的敏感性[32]、[33]、[34]。

在本研究中，铂纳米颗粒在制备沸石咪唑框架-8（ZIF-8）的过程中被合成并封装在其中，得到了Pt/ZIF纳米颗粒，这些颗粒进一步负载在热敏Pluronic F127水凝胶（Pt/ZIF@F127）上。Pt/ZIF@F127能够在酸性环境中加速锌离子的释放，并在含有H₂O₂的环境中产生氧气。通过这种方式，Pt/ZIF@F127增强了X射线照射对肿瘤细胞DNA损伤、免疫细胞杀伤（ICD）诱导和cGAS-STING途径激活的效果体外。此外，在肿瘤内注射Pt/ZIF@F127后，肿瘤内的锌含量会增加并维持一段时间的高水平，乳酸含量会降低，肿瘤缺氧状态也会得到缓解。所有这些肿瘤微环境的变化都有助于提高肿瘤放疗和免疫疗法的效果。此外，这种治疗通过诱导受照射原发肿瘤中的严重免疫细胞杀伤（ICD），促进了树突状细胞（DCs）的成熟，并进一步引发了全身抗肿瘤免疫反应。值得注意的是，肿瘤中锌含量的增加可以与DNA损伤协同作用，激活cGAS-STING途径，进一步增强全身抗肿瘤免疫。因此，本研究整合了多种无机离子和无机纳米颗粒的特性，从多个方面提升了肿瘤放疗和免疫疗法的效果，为肿瘤治疗提供了一种有效的策略。

小节摘要

Pt/ZIF@F127水凝胶的制备与表征

Pt/ZIF是通过一步合成法制备的，然后将其负载到F127水凝胶中。具体来说，在制备ZIF-8的过程中，氯铂酸被还原成铂颗粒，经过离心纯化和干燥后得到Pt/ZIF粉末，最后将其溶解在F127的水溶液中，得到热敏Pt/ZIF@F127水凝胶（图1a）。通过还原氯铂酸可以轻松获得小尺寸的铂纳米颗粒。

结论

在本研究中，通过还原法成功合成了铂纳米颗粒，并在制备ZIF-8的过程中将其嵌入到ZIF-8中。随后，这些Pt/ZIF纳米颗粒被负载在热敏F127水凝胶上，得到了Pt/ZIF@F127，从而提高了结直肠肿瘤放疗和免疫疗法的效果。在肿瘤微环境中，Pt/ZIF@F127可以释放锌离子（Zn²⁺），并与过氧化氢（H₂O₂）反应生成氧气，从而创造出更理想的肿瘤微环境。

实验材料

2-甲基咪唑和聚乙烯吡咯烷酮购自上海Macklin。Zn(NO₃)₂·6H₂O购自北京新华制药试剂 Corporation。H₂PtCl₆·6H₂O购自上海Aladdin。NaBH₄购自上海凌峰试剂有限公司。Pluronic F127购自Sigma-Aldrich。TSQ购自Med Chem Express LLC。乳酸检测试剂盒、Phospho-Histone H2AX(Ser139)兔多克隆抗体、Calreticulin兔单克隆抗体和DAPI购自上海贝泰time公司。

CRediT作者贡献声明

郭丽：撰写 – 原初稿撰写、可视化、数据验证、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理。王佳颖：撰写 – 原初稿撰写、数据验证、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析。张恒宇：撰写 – 原初稿撰写、方法设计、实验研究。徐子萌：数据验证、实验研究。尹新艺：数据验证、实验研究。杨涛：资源协调、项目管理、方法设计。周海林：监督工作、软件支持。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文所报道的研究工作。

致谢

本研究得到了江苏省基础研究计划（BK20241937）、南通市自然科学基金（JC2023102）和南通大学大型仪器开放基金（KFJN2412）的支持。图形摘要图和图1a&4a的示意图是使用BioRender.com创建的，已获得许可。

郭丽|王佳颖|张恒宇|徐子萌|尹新艺|杨涛|周海林|袁毅