通过连接化学方法调控铁茂官能化聚(L-赖氨酸)纳米平台的激活，以实现协同化疗和化学动力学疗法

《Journal of Colloid and Interface Science》：Linkage-chemistry-regulated activation of ferrocene-functionalized poly(l-lysine) nanoplatforms for synergistic chemotherapy and Chemodynamic therapy

　　

曾凡秋|杨景龙|李京航|严乐山

中国武汉工业大学先进材料合成与加工技术国家重点实验室，武汉430070

摘要

化学动力学疗法（CDT）依赖于肿瘤微环境（TME）中相对较高的过氧化氢（H₂O₂）水平，通过芬顿（Fenton）或类似芬顿的反应在原位生成高活性的羟基自由基（·OH）。然而，其治疗效果常常受到肿瘤内H₂O₂可用性有限和催化中心反应动力学不足的限制。为了克服上述瓶颈，本研究开发了一种基于聚（l-赖氨酸）（PLL）骨架的pH响应性铁烯（Fc）功能化聚合物纳米递送系统（ImFc），并引入了化疗药物多柔比星（DOX）作为原位 H₂O₂放大因子，以实现联合化疗和CDT。该纳米系统在生理条件下保持结构稳定，但在肿瘤相关酸性环境中会响应性分解，从而可控释放Fc和DOX，同时激活PLL的阳离子特性，以增强其与带负电荷的细胞内生物分子的相互作用。Fc中的Fe(II)中心催化H₂O₂转化为·OH，从而增强细胞内氧化应激并促进脂质过氧化相关损伤。体外实验结果表明，与Fc共价固定的对照组AmFc相比，ImFc及其载药制剂表现出更高的·OH生成量和脂质过氧化物积累量，表明其介导的铁死亡效应更为显著。在鼠乳腺癌原位模型中，ImFc在抑制肿瘤生长方面表现出优于AmFc的趋势，而ImFc@DOX和AmFc@DOX进一步增强了抗肿瘤效果。总体而言，本研究证明了pH响应性释放、阳离子特性激活和底物供应放大的协同整合有效提高了CDT的治疗效率和安全性，为构建高效且可控的基于CDT的联合纳米平台提供了可行的设计策略。

引言

恶性肿瘤具有高发病率和死亡率，是严重威胁人类生命和健康的主要疾病之一[1]、[2]、[3]。尽管化疗在临床癌症治疗中起着关键作用，但传统的小分子化疗药物通常缺乏肿瘤选择性，并且容易对正常组织造成明显的系统性毒性，这严重限制了它们的长期治疗效果[4]、[5]。因此，通过合理的载体设计在肿瘤部位提高化疗药物的效果，同时最小化非特异性毒性，已成为肿瘤药物递送领域中的核心科学挑战之一[6]、[7]。

基于纳米医学的药物递送系统（DDSs）通过调节大小、表面性质和病变响应行为，为改善体内化疗药物的分布提供了重要的技术方法[8]、[9]、[10]、[11]。其中，刺激响应性纳米载体可以利用肿瘤微环境（TME）与正常组织之间的物理化学差异，在肿瘤部位实现选择性药物释放[12]、[13]。值得注意的是，肿瘤组织中的糖酵解代谢增强会导致乳酸持续积累，从而形成稳定的弱酸性微环境（细胞外基质pH约为6.4–6.8，溶酶体pH约为4.5–5.5）[14]。这种内在的pH差异被认为是最普遍和可预测的刺激信号之一，为构建可控释放的DDSs提供了可靠的设计基础[15]。

在各种聚合物递送载体中，聚（l-赖氨酸）（PLL）由于其天然的氨基酸来源、生物降解性和良好的生物相容性而受到广泛关注[16]、[17]。更重要的是，PLL侧链上丰富的ε-氨基基团提供了高度可调的化学修饰位点[18]，可以通过酰胺化和席夫碱形成等反应引入多种功能基团，从而在单一材料平台上整合和协同传递与治疗功能。然而，PLL的阳离子性质也是一把“双刃剑”[19]、[20]：在生理条件下，过多的正电荷暴露可能会引起非特异性细胞毒性和快速的体内清除；而在肿瘤微环境中，刺激激活后暴露的高密度正电荷有利于增强肿瘤细胞摄取、膜破裂和治疗效果[21]。因此，将PLL的阳离子性质与肿瘤特异性刺激响应机制耦合，使其在正常组织中保持“屏蔽”状态，而在酸性肿瘤环境中被激活，对于实现安全性和治疗效果之间的平衡至关重要[22]。

然而，现有的基于Fc的CDT系统仍面临两个关键挑战。一方面，肿瘤细胞内的H₂O₂水平有限[30]，并且容易被抗氧化系统清除，难以持续维持高效的芬顿反应[31]。另一方面，当Fc在载体结构中永久固定时，其细胞内反应动力学往往受到空间限制，从而影响CDT的效果[32]。因此，Fc是否以及在肿瘤微环境中如何响应性释放成为影响CDT疗效的关键因素[33]。

原位由化疗药物提供的H₂O₂被认为是补偿CDT中底物不足的理想策略[34]。其中，多柔比星（DOX）是一种临床广泛使用的广谱化疗药物，已被证明可以通过诱导线粒体损伤和氧化应激显著提高肿瘤细胞内的H₂O₂水平[35]，从而为芬顿反应提供持续的底物来源[36]、[37]。此外，DOX诱导的氧化应激可以协同增强Fc催化生成的·OH，促进脂质过氧化积累并加剧铁死亡相关的细胞损伤[38]。因此，合理地将DOX与基于Fc的CDT系统整合有望在机制层面克服CDT对内源性H₂O₂的依赖性[39]。

基于上述研究背景和挑战，本研究重点关注释放行为对基于Fc的CDT系统中催化效率和反应动力学的影响，并设计了一种pH响应性的Fc功能化聚合物纳米递送平台ImFc，使用聚（l-赖氨酸）作为骨架。该系统在肿瘤相关酸性微环境中响应性分解，使Fc从载体限制状态转变为高活性状态，同时释放PLL片段，从而激活它们的阳离子特性并参与细胞内氧化应激的放大（图1）。同时，DOX作为化疗成分与释放过程结合使用，以提高细胞内氧化应激水平并增强Fc介导的CDT反应。此外，通过构建两个结构明确的对照系统——酸不稳定亚胺连接平台（ImFc）和酸稳定酰胺连接平台（AmFc）——本研究建立了结构稳定性、释放动力学和治疗响应之间的关联，旨在系统阐明刺激响应性分解策略在提高基于Fc的CDT效率和协同治疗效果中的作用。

章节摘录

实验材料

甲氧基聚乙二醇（mPEG, Mn = 5000 g/mol, ≥99%）购自Sigma-Aldrich。Nε-苄氧羰基-l-赖氨酸（≥98%），1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDCI, ≥98%），N,N-二异丙基乙胺（DIPEA, ≥99%），1-羟基苯并三唑（HOBt, ≥99.5%），三光气（≥99%），三氟乙酸（≥99%），荧光酰胺（≥99%），尼罗红（≥95%），1,10-菲咯啉（≥99%），亚甲蓝（MB, ≥70%），还原型谷胱甘肽（GSH, ≥98%），5,5'-二硫代(2-硝基苯甲酸）

铁烯偶联聚赖氨酸的合成与表征

使用mPEG-NH₂作为大分子引发剂，通过N-羧酸酐（NCA）环开聚合反应合成两亲嵌段共聚物mPEG-b-PZLL，然后在三氟乙酸中使用33% HBr进行脱保护，得到mPEG-b-PLL。随后，通过后修饰方法将Fc共价偶联到mPEG-b-PLL上，得到酸不敏感的对照材料polylysine-amide-ferrocene conjugate mPEG-b-PLL-g-AmFc

结论

总之，本研究构建了一种基于聚（l-赖氨酸）的pH响应性聚合物纳米递送系统ImFc，并实现了DOX的有效负载。ImFc@DOX在轻微酸性的肿瘤微环境中分解，导致Fc、PLL和DOX的协同释放，从而在细胞内诱导强烈的氧化应激。通过与酸稳定的对照材料AmFc的系统性比较，我们进一步证明了酸触发的Fc释放

作者贡献

本手稿由所有作者共同完成。所有作者均同意最终版本的手稿。

曾凡秋：撰写 – 初始草稿，研究。杨景龙：验证，研究。李京航：验证。严乐山：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF0508603）、湖北省自然科学基金创新与发展联合基金（2025AFD037）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2024A1515011550）、深圳市科技计划（JCYJ20240813103605008）、山东省自然科学基金（ZR2024ME084）以及聚合物科学与技术国家重点实验室（PST-KF2026-09）的支持。