一种用于乳腺癌骨转移光动力治疗的自发光骨靶向纳米系统

《Nano Today》：A self-luminescent and bone-targeted nanosystem for photodynamic therapy of breast cancer bone metastasis

　　

摘要

乳腺癌是女性中最常见的恶性肿瘤，骨转移是导致治疗失败的主要原因之一。光动力疗法（PDT）因其高时空精度、微创性及有限的系统毒性而备受关注，成为一种有前景的癌症治疗手段。然而，激发光在生物组织中的穿透深度较浅，这极大地削弱了其对深部肿瘤的疗效。本文开发了一种靶向骨的自发光纳米系统CaO₂/Ce6/CPPO@ZOL，通过化学发光共振能量转移（CRET）驱动的光动力疗法，无需外部光照射即可治疗乳腺癌骨转移。在该纳米系统中，CaO₂同时提供H₂O₂和O₂，而双[3,4,6-三氯-2-(戊氧羰基)苯基]草酸酯（CPPO）与H₂O₂反应生成高能中间体。产生的化学能通过CRET转移至叶绿素e6（Ce6），从而在生成的O₂存在下激活Ce6产生单线态氧。引入锆酸（ZOL）以增强靶向骨的能力并抑制破骨细胞介导的骨吸收。该纳米系统能够有效产生活性氧并诱导肿瘤细胞死亡，且无需外部照射。此外，CaO₂/Ce6/CPPO@ZOL表现出良好的靶向骨能力，抑制肿瘤进展并减轻肿瘤相关的骨破坏。综上所述，这种自维持的基于CRET的纳米平台克服了传统PDT对外部光的依赖，将肿瘤根除与抑制骨吸收相结合，为乳腺癌骨转移提供了一种有前景的治疗策略。

引言

乳腺癌已成为女性中主要的肿瘤诊断之一，其发病率和死亡率在女性恶性肿瘤中位居最高，且呈逐年上升趋势[1,2]。转移和复发是乳腺癌患者死亡的主要原因，超过半数晚期患者会发生骨转移[3,4]。目前乳腺癌骨转移的传统治疗方式包括手术、放疗和药物治疗[5]。除这些传统方法外，研究人员越来越关注靶向治疗[6]。靶向骨的纳米材料可优先积累在骨组织中，抑制肿瘤细胞增殖，缓解骨痛，同时抑制破骨细胞活化，从而保护骨骼免受破坏。最常用的靶向骨递送药物包括双膦酸盐、四环素、肽类和适配体。双膦酸盐具有稳定性好、生物利用度高、无免疫原性等优点，是最广泛使用的靶向骨药物[7,8]。近年来，利用双膦酸盐靶向骨组织的策略取得了进展。已合成了一种近红外II区光响应的靶向骨纳米系统（CuP@PPy-ZOL），该系统通过热增强Fenton反应和光动力效应提高光热疗法（PTT）疗效，从而实现协同抗肿瘤效果[9]。聚乙二醇包覆的阿仑膦酸功能化聚合物纳米颗粒（DZ@ALN）通过Zn²⁺交联递送顺铂和唑来膦酸（ZOL），可用于肿瘤骨转移的联合治疗[10]。

光动力疗法（PDT）是一种新兴的癌症治疗方式，利用三种基本要素：光敏剂（PS）、光源和组织氧[11,12]。PDT的优势在于能够精准靶向肿瘤细胞，同时对周围正常组织造成极小的损伤[13,14]。近年来，PDT在多个医学领域显示出显著疗效，特别是在口腔癌、皮肤癌和食管癌等浅表肿瘤的治疗中[15,16]。然而，PDT光源在组织中的穿透深度有限，限制了其对深部肿瘤的疗效[17]。例如，1064 nm光在组织中的穿透深度为5 mm，而980 nm光的穿透深度仅为1.5 mm[18]。因此，开发有效策略以在深部组织中激活光敏剂仍然是一项紧迫的挑战[19]。化学发光共振能量转移（CRET）介导的PDT可克服外部光在体内的穿透深度不足，通过化学发光实现肿瘤的光动力治疗[20]。CRET的机制是通过过氧化氢（H₂O₂）与高能底物之间的特定反应产生化学能，然后通过能量转移激发光敏剂产生单线态氧（¹O₂），从而杀灭癌细胞[21]。鲁米诺是最常用的化学发光供体之一，在约425 nm处发射紫外-可见自发光。除了鲁米诺之外，双[3,4,6-三氯-2-(戊氧羰基)苯基]草酸酯（CPPO）也常被用作高活性过氧化氢的化学能源[22]。

实体肿瘤微环境中的内源性H₂O₂和O₂常用于激活CRET介导的PDT[23]。然而，肿瘤细胞中H₂O₂和O₂含量不足极大地限制了疗效及进一步的生物医学应用[24]。以往研究发现金属过氧化物可与水反应生成H₂O₂和O₂[25,26]。其中，CaO₂的应用研究日益增多[27,28]。CaO₂可与水反应产生O₂，在酸性条件下生成H₂O₂，同时产生钙离子。这可以解决实体肿瘤中H₂O₂和O₂不足的问题。基于此，本研究提出了一种创新的治疗策略。首先使用双膦酸盐实现靶向骨，然后引入CaO₂自供应H₂O₂和O₂，使CRET介导的PDT能够治疗骨转移性乳腺癌。此外，CaO₂分解引起的Ca²⁺超载可进一步加速肿瘤细胞死亡。

本研究设计构建了一种新型靶向骨的自发光纳米系统，用于治疗乳腺癌骨转移。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）模板法合成了过氧化钙/叶绿素e6（CaO₂/Ce6），随后通过静电吸附化学发光光源CPPO。此外，引入螯合Ca²⁺的ZOL实现了靶向骨。最终形成的自发光纳米系统CaO₂/Ce6/CPPO@ZOL可在无外部激发光的情况下为PDT自供应H₂O₂和O₂。具体合成和治疗机制如图1所示。靶向骨药物ZOL首先精确定位骨转移肿瘤部位。随后，CaO₂在肿瘤微环境的酸性条件下分解，生成H₂O₂并释放O₂。化学发光剂CPPO与H₂O₂反应，释放的能量激发光敏剂Ce6。被激发的Ce6将O₂转化为¹O₂，从而杀死肿瘤细胞。此外，CaO₂作为钙源，诱导Ca²⁺超载，从而加速肿瘤细胞死亡。

分节摘要

CaO₂/Ce6/CPPO@ZOL的表征

按照先前报道的方法并稍作修改，成功合成了CaO₂/Ce6/CPPO@ZOL纳米系统[29]。首先将特定量的Ce6引入反应体系，然后加入PVP。搅拌一段时间后，获得尺寸均匀的球形CaO₂/Ce6纳米颗粒。随后将纳米颗粒与CPPO混合并搅拌，CPPO通过静电作用在纳米颗粒表面形成包覆层

结论

在本研究中，我们设计了一种靶向骨的自发光纳米系统CaO₂/Ce6/CPPO@ZOL，能够在无外部光照的条件下产生H₂O₂和O₂。传统PDT治疗乳腺癌骨转移的一个重大挑战是其光组织穿透能力有限。我们的设计消除了对外部光的依赖，从根本上缓解了这一穿透屏障。在酸性肿瘤微环境中，该纳米系统解离，释放CaO₂、Ce6和CPPO。

材料

无水氯化钙（CaCl₂，96%）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量58,000）和异硫氰酸荧光素（FITC，97%）购自上海麦克林生化科技有限公司。无水乙醇、30%过氧化氢（H₂O₂）和氨水（NH₃•H₂O，分析纯）由天津市科密欧化学试剂有限公司供应。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，98%）、双[3,4,6-三氯-2-(戊氧羰基)苯基]草酸酯（CPPO，97%）和5,5-

CRediT作者贡献声明

杜晓萌： 写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，方法论，调查研究，数据整理，概念构思。刘文佳： 写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，方法论，调查研究，数据整理，概念构思。王颖： 写作——初稿撰写，方法论，调查研究。王杨勋： 方法论，调查研究。郝相宇： 方法论，调查研究。高树涛： 调查研究，概念构思。张金超： 监督，项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的与本论文所报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（32471460）、河北省自然科学基金（B2023201108）、河北省自然科学基金（B2025201113）、河北省中央引导地方科技发展基金（226Z2402G）、河北省青年杰出学者科学基金（B2021201045）、河北大学自然科学交叉学科研究计划（DXK202210）的资助。

杜晓萌 | 刘文佳 | 王颖 | 王杨勋 | 郝相宇 | 高树涛 | 张金超 | 葛坤 | 周国强

河北大学化学与材料科学学院，教育部药物化学与分子诊断重点实验室，国家新药制剂与辅料重点实验室，河北大学化学生物学重点实验室，河北保定，071002，中国