基于锆金属-有机框架的复合药物递送系统用于肝癌治疗中精准释药与肿瘤微环境协同调控

《Acta Biomaterialia》：Zirconium Metal-Organic Framework-Based Composite Drug Delivery System for Precise Drug Release and Synergistic Modulation of the Tumor Microenvironment in Liver Cancer Therapy

　　

摘要选锆基金属有机框架（MOF-808）材料作为药物递送载体，以 5-氟尿嘧啶（5-Flu）作为模型药物。设计并制备了不同比例的 MOF-808@5-Flu 载药载体。研究了不同 pH 条件（7.4/6.5/5.0）下 MOF-808@5-Flu 纳米复合材料的药物释放行为。结果表明，当 MOF-808 与 5-Flu 的质量比为 1:0.25 时，材料在 pH 5.0 下 50 小时内释放了 55.56% 的药物，而在 pH 7.4 和 6.5 下分别释放了 47.85% 和 48.00%。药物释放行为符合 Higuchi 模型。细胞和动物实验表明，MOF-808@5-Flu 表现出良好的生物相容性，并显著抑制 Hepa1-6 细胞的生长，表明其作为靶向纳米载体增强治疗效果具有潜力。研究表明，MOF-808@5-Flu 通过凋亡途径诱导癌细胞死亡。Zr4+ 的催化活性与 5-Flu 的药理作用协同作用，产生了大量活性氧（ROS），显著降低了肿瘤细胞的活力。理论计算表明，MOF-808@5-Flu 通过多种相互作用表现出协同效应，包括 π-π堆积、静电吸引和疏水相互作用。这一结果进一步突出了 MOF-808@5-Flu 作为药物递送平台的优势。总之，MOF-808@5-Flu 作为抗癌药物递送的靶向纳米载体显示出巨大的潜力。

重要性声明开发了具有强潜力的 MOF-808@5-Flu 纳米载体，用于靶向抗癌药物递送。实现了 pH 响应性 5-Flu 释放，在 pH 5.0 下 50 小时内释放率最高达 55.56%。证实药物释放谱符合 Higuchi 模型。展示了良好的生物相容性和对 Hepa1-6 肿瘤细胞生长的有效抑制。揭示了由 Zr4+ 催化和多种分子间相互作用驱动的“载体 - 药物”协同机制。

引言恶性肿瘤（癌症）现已成为全球第二大死因，且发病率持续上升[1]。然而，传统单药疗法在应对肿瘤微环境的复杂性方面仍存在显著局限性[2,3]。近年来，基于纳米材料的药物递送系统由于其可编程特性，为突破现有治疗瓶颈提供了新策略[4]。通过合理设计功能性纳米载体，功能性纳米载体能够对肿瘤微环境进行多维调节[5]，从而显著提高治疗效果。在过去几十年中，各种纳米药物载体，如脂质体[6]、微乳液[7]、纳米乳液[8]、纳米凝胶[9]、聚合物胶束[10]和聚合物纳米粒子[11]，已被广泛用于活性药物的有效递送。已进行了大量的临床前研究，但许多相关产品也已成功上市并应用于疾病的临床治疗[12]。代表性例子包括盐酸阿霉素脂质体注射液和Abraxane（白蛋白结合型紫杉醇）。随着材料科学和纳米医学研究的深入，新型纳米材料的开发将继续推进药物递送领域的发展。自 Robson 于 1989 年发现 MOFs[[13], [14], [15]]以来，MOFs 结合了高度常规的多孔晶体混合有机无机框架作为最新有序多孔固体。由于其固有的高孔隙率和微孔性，已提出了许多潜在的生物医学应用，如药物递送系统和其他生物应用。生物金属有机框架（Bio-MOFs）是由生物相容性金属离子作为顶点、有机配体作为连接件，通过配位键组装而成的三维结构[16]。其中，Bio-MOFs 在药物递送、骨组织工程[17]、生物催化和生物传感应用[18]等生物医学领域表现出优异性能。同时，Bio-MOFs 具有大的比表面积和孔隙率、强主客体相互作用以及良好的生物相容性。因此，它们已成为非常有前景的药物递送载体，并成为药物递送领域的研究热点。Renata C. Alves 等人 [19] 将姜黄素（CCM）负载到中孔 N3-bio-MOF-100 上，并用叶酸（FA）进行功能化以靶向癌细胞。该材料在酸性条件下表现出良好的生物相容性和 pH 响应性药物释放。体外实验表明，CCM@N3-bio-MOF100-1D/FA 和 CCM@N3-Bio-MOF100-3D/FA 对 4T1 细胞表现出特异性靶向和显著的细胞毒性，展示了 Bio-MOFs 在药物递送和乳腺癌治疗方面的潜力。Xin Shou 等人 [20] 开发了一种基于 MOF 的生物模拟纳米载体（a127/mito@ZIF@Ma），用于协同递送线粒体靶向抗炎 miRNA-127 拮抗剂。该纳米载体被巨噬细胞膜包裹，以实现向巨噬细胞的靶向递送。这种设计不仅提高了纳米载体的生物相容性和递送效率，还通过模拟细胞膜增强了其在体内的稳定性和免疫逃避能力。

在众多 Bio-MOFs 中，锆基 MOFs (Zr-MOFs) 由于其强 Zr-O 键和稳定的 [Zr6O4(OH)4(RCO2)12] 次级构建单元（SBUs）而表现出热、化学和水稳定性[21]。此外，锆储量丰富且在生物体中含量较高，锆的毒性低（乙酸锆口服半数致死量 LD50=4.1 g kg-1；人类每日膳食需求 = 4.15 mg/天），允许其用于人工骨骼制造、口腔美容修复和其他医疗材料，因此 Zr-MOFs 是载药的最佳候选者[22]。5-Flu 作为最常用的抗癌药物之一，可诱导细胞毒性效应，并能阻止肿瘤细胞中吡烯核苷酸的合成[23]，同时，它可以增加 DNA 损伤并导致肿瘤细胞凋亡[24]，因此，它被用作模型药物。在众多 Zr-MOFs 中，MOF-808 是一种典型的大腔 MOF，每个 Zr6 团簇理论上被六个甲酸基团覆盖，这允许通过配体取代进行各种合成后修饰。本文描述了建立 5-Flu 抗癌载药 MOF-808 纳米平台（MOF-808@5-Flu）。我们使用 ZrOCl2·8H2O 作为 Zr 源，H3BTC 作为配体，甲酸作为形貌调节剂，DMF 作为溶剂，在 130°C 下水热反应 48 小时获得 MOF-808，然后，通过简单搅拌，5-Flu 分子可以很容易地接枝到 MOF-808 的 Zr6 团簇上，产生修饰的 MOF-808@5-Flu (1:0.1, 1:0.125, 1:0.25, 1:0.5, 1:1)（方案 1a）。此外，我们评估了 MOF-808 作为抗癌药物的 5-Flu 负载能力，其中，MOF-808:5-Flu（质量比：1:1）具有最高的包封效率和药物负载量，并通过体外模拟（pH = 7.4 模拟正常生理环境，pH = 6.5 模拟肿瘤细胞外环境，pH = 5.0 模拟癌细胞内溶酶体环境）探索了 MOF-808@5-Flu 的释放行为。为了进一步研究药物释放行为，使用 MOF-808:5-Flu（质量比：1:0.25）在 pH = 5.0 条件下模拟药物释放过程模型，药物释放过程符合 Higuchi 模型，表明药物在 MOF-808 中均匀分散，缓冲液渗透基质溶解药物，然后扩散出来。对 MOF-808:5-Flu（MOF-808:5-Flu=1:0.25）进行了体外细胞毒性测试，结果显示 MOF-808@5-Flu 具有显著的抗癌效果。结果表明 MOF-808@5-Flu 表现出显著的抗癌效果，其作用机制主要涉及在肿瘤组织中的选择性积累。这种靶向积累显著减少了其对正常组织的毒性作用。当载体到达肿瘤微环境（pH≈6.5-7.0）时，酸性条件触发框架结构的解离，使 5-Flu 初步释放。随后，通过内吞作用进入癌细胞的 MOF-808 被进一步转运至溶酶体（pH≈4.5-5.0），那里的酸性环境显著加速了药物的完全释放。释放的 5-Flu 通过干扰胸苷酸合成酶（TS）活性和阻断 DNA/RNA 生物合成来抑制肿瘤细胞增殖。值得注意的是，该系统的治疗优势不仅源于 5-Flu 的时间控制释放。MOF-808 中 Zr4+ 节点的 Lewis 酸性质可能有助于在细胞内将 5-Flu 转化为其活性代谢物，5-氟 -2′-脱氧尿苷一磷酸（FdUMP）。这种代谢转化可能代表 5-Flu 细胞毒性机制中的关键步骤，因为 FdUMP 与胸苷酸合成酶（TS）形成共价复合物，从而诱导“致死合成”效应。实验证据表明，Zr4+ 的催化活性与 5-Flu 的药理活性协同作用，产生大量 ROS。这种双重“载体 - 药物”机制最终通过显著降低肿瘤细胞存活率来增强抗肿瘤疗效[25,26]。通过结合纳米医学的治疗潜力和 MOF-808 的创新特性，本研究旨在推进我们对基于 MOF 的药物递送过程的理解，并为开发具有增强临床疗效的新型纳米疗法铺平道路。有助于纳米医学领域的发展，并为各种疾病的治疗提供新视角（方案 1b）。

章节片段
材料部分
氧氯化锆八水合物（ZrOCl2·8H2O, AR, ≥99%）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），1,3,5-苯三甲酸（H3BTC）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（国药集团化学试剂有限公司），HCOOH（国药集团化学试剂有限公司）

合成部分
MOF-808 的合成：将 ZrOCl2·8H2O (242.5 mg) 和 H3BTC (105 mg) 加入 11 mL DMF 和 11 mL HCOOH 中，搅拌成透明溶液。将溶液转移至 50 mL 反应器中，在 130°C 加热

MOF-808@5-Flu 的 FTIR、XRD 和 XPS 光谱
合成的纳米载体经过多种分析技术表征。通过 XRD 分析研究所得纳米晶体的晶体结构，并确认了所需结构（图 1a）。5-Flu 在 2θ 为 15.7°, 17.7°, 18.8°, 20.4°, 21.7°, 22.3°, 23.7°, 和 24.6° 分别代表其 (002), (111), (002), (112), (020), (022), (122), (113) 晶面。合成的 MOF-808 的 XRD 谱图与模拟卡片谱图吻合良好，

结论
本研究开发了基于 Zr-MOF 的 MOF-808@5-Flu 药物递送平台，用于增强抗肿瘤治疗并降低全身毒性。选择 MOF-808 是因为其高孔隙率、大表面积和强化学稳定性，而简单的搅拌合成方法在可扩展性和临床转化方面具有优势。MOF-808@5-Flu 显示出 pH 响应性药物释放，在酸性条件下释放更多，与肿瘤微环境匹配，有助于减少过早药物

CRediT 作者声明
韩宇佳：撰写 - 初稿；曾海祥：方法论；许静：方法论；郝红燕：方法论；李红霞：验证；牛晓辉：项目管理；刘小雨：调查；张德义：数据整理；陈丽：资源；张东强：调查；王琨捷：撰写 - 审查与编辑。

利益冲突
本手稿的提交不存在利益冲突。

伦理声明
本研究遵循 ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经兰州食品药品检验研究所实验动物伦理委员会批准。（批准号：LZFDC-FLGL-033(A)）。

CRediT 作者贡献声明
韩宇佳：撰写 - 初稿。曾海祥：方法论。许静：方法论。郝红燕：方法论。李红霞：验证。牛晓辉：项目管理。李燕：方法论。刘小雨：调查。张德义：数据整理。陈丽：资源。张东强：调查。王琨捷：撰写 - 审查与编辑。

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