利用一种新型的铂-聚吡咯纳米复合材料（作为纳米酶）通过活性氧介导的光声消融技术来杀死黑色素瘤细胞

《Journal of Thermal Biology》：Reactive oxygen species mediated-photo-sono-ablation of melanoma cells using a novel nanocomposite of platinum-polypyrrole as a nanozyme

同步近红外光热疗法与超声动力疗法治疗黑色素瘤的研究中，Pt@PPy纳米复合材料通过协同作用增强细胞毒性，机制涉及氧化应激和类过氧化氢酶活性，其生物相容性与疗效优于单一组分。

　　

H. Haghighi|P. Tamaddon|P. Faghani-Eskandarkolaei|H. Heli|M. Haghani|N. Sattarahmady

伊朗设拉子医科大学纳米医学与纳米生物学研究中心

摘要

在非侵入性光热疗法（PTT）和声动力疗法（SDT）中，肿瘤清除对于黑色素瘤的治疗效果显著。然而，寻找一种能够同时增强PTT和SDT效果的敏化剂是非常重要的，尤其是当这种敏化剂材料在肿瘤治疗中还具有其他益处时。本文介绍了一种铂（Pt）/聚吡咯（PPy）纳米复合材料（Pt@PPy NC），用于协同治疗黑色素瘤细胞。为了比较和阐明纳米复合材料各组分的效果，还合成了铂纳米颗粒（Pt NPs）和聚吡咯（PPy）纳米颗粒（PPy NPs）并进行了评估。Pt@PPy NC由近球形的Pt NPs通过PPy网络连接而成，其平均直径分别为13±7 nm、177±48 nm和16.5±2.5 nm。对B16-F10细胞进行Pt@PPy NC处理的细胞毒性研究表明，该材料具有良好的细胞相容性，并且具有更强的光热和声动力细胞毒性（相比Pt NPs和PPy NPs，其毒性效果更显著）。细胞存活率检测显示，Pt@PPy NC、808纳米光和超声波的联合作用能够以协同方式杀死癌细胞。检测细胞内活性氧（ROS）的产生发现，Pt@PPy NC的光热和声动力效应源于氧化应激的诱导。此外，Pt@PPy NC还表现出类似过氧化氢酶的活性，因此可以考虑将其用于联合治疗。

引言

黑色素瘤是最致命的皮肤癌类型，与黑色素细胞相关，也是最具侵袭性的皮肤癌[1]。据预测，2023年仅在美国就有97,610名新患者被诊断出患有黑色素瘤，其中约7,990人将因此死亡[2]。根据黑色素瘤的阶段、位置和基因特征，可以采用不同的治疗方法[1]。早期黑色素瘤通常采用手术治疗，而晚期黑色素瘤则采用化疗、放疗和免疫疗法等非手术治疗方法[1]。然而，黑色素瘤是治愈难度最大的癌症之一[3]。传统的癌症治疗方法（如手术和放疗）存在副作用，患者满意度较低，且精准度不高[4][5]；化疗药物可能损伤正常细胞和健康组织，转移性黑色素瘤往往对抗癌药物具有抗性[3]。因此，开发具有最小化不良反应和最大化治疗效果的新疗法具有重要意义[5][6]。

光疗是一种新型、非侵入性的癌症治疗方法，主要包括光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT）[7][8]。PTT通过近红外（NIR）激光照射光热剂（PA）产生足够的热量以实现热消融[9][10]。PTT具有较高的侵入性、易于实施且能保护血细胞和软组织免受光辐射损伤，使其成为一种有前景的癌症治疗方法[11]。

声动力疗法（SDT）是一种低侵入性、非电离性的低成本癌症治疗方法，利用低强度超声波（US）和非毒性声敏剂[12]。与PDT相比，SDT由于不产生辐射，更安全；同时通过增加辐射的穿透性解决了光难以深入组织和肿瘤的问题[13]。超声波与身体组织发生多种热效应和非热效应，包括声敏剂与声场的相互作用，从而产生活性氧（ROS），进而对细胞产生毒性作用，最终实现肿瘤清除[14][15]。

在PTT和SDT中，贵金属纳米颗粒被用作光/声敏剂。金纳米颗粒（AuNPs）因具有多种涂层材料、不同的尺寸、构型和形状而被广泛用作光/声敏剂[16]。铂（Pt）纳米结构具有热稳定性、表面修饰能力、内在的抗癌能力、药物传输能力、高NIR光吸收效率和生物相容性[17][18]，这些特性使其适用于细胞吸收和抑制肿瘤生长[19]，以及在纳米医学中的传感、增敏（对光、伽马射线和X射线的增敏[20][21][22][23]）、药物递送和杀菌等应用[17][18]，包括PTT和PDT。

目前，由于聚吡咯（PPy）具有强的NIR光吸收能力、低细胞毒性和高生物相容性，已被用作光声疗法（PST）的敏化剂[24][25][26]。此外，PPy纳米结构还应用于神经再生、生物传感器制造和药物递送[27]。用有机聚合物涂层可以降低细胞毒性、提高生物相容性、增强光热效率和化学稳定性[28][29]。

迄今为止，许多含有PPy涂层的复合结构已被研究作为PST的潜在敏化剂，例如Fe-Pt NPs[30]、碳纳米管[31]、铱复合物[32]、钯纳米颗粒[33]、二氧化硅纤维[35]和TiO₂[36]。PPy涂层提高了金纳米颗粒的稳定性，保持了其光谱特性并防止了聚集[37]。在TiO₂纳米纤维上覆盖一层PPy可有效缩小带隙并提高光催化性能[38]。Fe-Pt NPs涂覆PPy后，其光热稳定性增强，NIR吸收率提高，激光照射时能够杀死癌细胞[30]。值得注意的是，据我们所知，Pt/聚吡咯纳米复合材料（Pt@PPy NC）作为声敏剂的性质尚未被充分研究。在Pt@PPy NC中，PPy在SDS稳定的介质中与铂盐共聚，在Pt NPs表面形成PPy涂层。这种结构具有多种优势，包括在NIR区域的强吸收、高效的光热转换、优异的声敏效果、提高的生物相容性以及储存过程中的抗聚集性。此外，PPy的共轭芳香骨架可与芳香药物或有机分子发生非共价相互作用（π-π堆叠），为药物装载和靶向提供可能性。

在本研究中，合成了Pt NPs、PPy NPs和Pt@PPy NC，并评估了它们在808纳米光下的光敏效果、作为声敏剂在超声波照射下的效果，以及产生ROS的能力。随后，进一步评估了Pt@PPy NC作为联合敏化剂在体外协同SDT和PTT中消灭黑色素瘤的潜力。

材料

所有化学品均购自Merck（德国）、Sigma（美国）或Scharlau（西班牙），无需预处理即可直接使用。实验过程中使用了去离子水（DI水）。

Pt NPs、PPy NPs和Pt@PPy NC的合成

为了合成Pt NPs，我们准备了15.0 mL的水溶液，其中含有10.0 mmol L^-1十二烷基硫酸钠（SDS）、1.75 mol L^-1甲酸和1.0 mmol L^-1 H₂PtCl₆。将所需量的这些储备溶液混合在特氟龙烧杯中，然后在40°C下加热。

结果与讨论

Pt NPs的优异特性使其成为纳米医学研究的重点。除了良好的相容性、较高的质量/表面积比、紧凑的尺寸、增强的反应性和电催化性能外，其模拟超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性的纳米酶特性使其成为理想的癌症治疗辅助剂[41]。预计Pt NPs的光学表面等离子体共振特性和其他特性将进一步

结论

总结来说，成功合成了Pt@PPy NC，并通过紫外-可见光谱证实了其对808纳米光的吸收能力。实验表明，该材料在超声波照射下能产生ROS。MTT实验结果证实了其在PTT、SDT和PST中杀死黑色素瘤细胞的最高效率。Pt@PPy NC还表现出类似过氧化氢酶的酶活性，能够生成氧气并缓解肿瘤缺氧状态。

CRediT作者贡献声明

H. Haghighi：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。P. Tamaddon：撰写、审稿与编辑、进行研究、进行数据分析。H. Heli：撰写、审稿与编辑、进行验证、概念构思。P. Faghani-Eskandarkolaei：撰写、审稿与编辑、进行研究、进行数据分析。Naghmeh Sattarahmady：撰写、审稿与编辑、提供监督、管理资源、争取资金、进行概念构思。M. Haghani：制定方法、进行研究、进行数据分析

利益冲突

本研究不存在利益冲突。

伦理声明

本研究未涉及动物或人体实验。所有程序均获得了设拉子医科大学伦理委员会的批准（IR.SUMS.MED.REC.1400.130）。

数据可用性

与本研究相关的所有数据均包含在手稿及其补充材料中。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

致谢

我们感谢设拉子医科大学研究委员会和伊朗国家科学基金会对本研究的支持。同时，也要感谢Nemazee医院临床研究发展中心及Nasrin Shokrpour博士在编辑方面的协助。