ACS Nano：基于可注射磁性水凝膠的磁感應熱和納米酶催化協同增強腫瘤治療效果

【研究背景】

磁感應熱療作為新型腫瘤治療策略，為腫瘤治療帶來了新突破，尤其是基于磁性納米材料的磁感應熱療，它利用磁性納米顆粒為磁介質，以靜脈注射或原位介入等方式進入腫瘤組織后，在外加交變磁場的作用下，磁介質由于尼爾弛豫(Néel Relaxation) 和布朗弛豫(Brownian Relaxation)等效應而發熱，使腫瘤組織快速達到一定的溫度而殺滅或誘導腫瘤細胞凋亡，并且磁場穿透深度強，副作用小，更適合深部腫瘤組織治療與臨床轉化。一般來說，腫瘤磁感應熱療主要有兩個溫度窗口：腫瘤組織溫度在50度以上的磁感應熱消融治療可以非常有效、快速地消除腫瘤，但也容易對周圍正常組織造成損傷。40-45℃左右的低溫范圍可以在正常細胞不受損傷的情況下誘導癌細胞死亡，但腫瘤細胞往往會產生對熱應激的抵抗力而無法徹底殺死腫瘤細胞。與其他治療方式相結合可以增強熱療的療效，如光動力療法和化療等，然而，治療系統設計的復雜性和隨后的腫瘤復發依然使得治療效果不盡如人意。因此，進一步探索溫和熱療下新的治療策略具有重要意義。

【成果簡介】

近日，東南大學馬明副教授、顧寧教授和張宇教授設計了一種磁性水凝膠納米酶（MHZ），它利用PEG化納米顆粒與α-環糊精之間的包合作用形成具有剪切變稀效應和溫敏相轉變能力的超分子水凝膠治療平臺；以 PEI 修飾的 8 nm Fe₃O₄ 納米顆粒為磁熱源和類過氧化物酶；將凝膠注射于腫瘤組織，施加交變磁場使 Fe₃O₄ 顆粒產熱至 42 °C，腫瘤組織得到熱療的同時凝膠液化促進凝膠中各組分在腫瘤細胞間隙擴散，并產生較高濃度的 H₂O₂，Fe₃O₄ 顆粒在腫瘤微酸性環境中發揮模擬酶功效，通過芬頓反應催化 H₂O₂ 產生 ·OH 殺傷腫瘤細胞。熱療促進 Fe₃O₄ 納米酶酶活性增強而產生更多 ·OH，·OH 進一步損傷熱療中高表達的熱休克蛋白 HSP 70 等，使得熱療效果提升，基于磁性納米顆粒的磁感應熱療和納米酶促氧化協同治療使得腫瘤治療效果顯著，42 °C 溫熱療即可消退小鼠乳腺癌皮下瘤。該文章近日以題為“Enhanced Tumor Synergistic Therapy by Injectable Magnetic Hydrogel Mediated Generation of Hyperthermia and Highly Toxic Reactive Oxygen Species”發表在知名期刊ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一：磁性水凝膠納米酶（MHZ）的微結構和應用的示意圖

（a）MHZ的制備過程和組成成分。

（b）MHZ產生磁感應熱和納米酶催化協同治療腫瘤示意圖。

圖二：MHZ的結構和理化性質表征

（a）PLGA納米膠囊和（b）PFOB納米乳劑的TEM負染色圖像。

（c）Fe₃O₄ NPs的TEM圖像。

（d）包含GOD和D-甘露醇的α-CD水溶液。

（e）溫度誘導的MHZ的凝膠-溶膠轉變的熱圖像和MHZ的相應照片，在ACMF作用下，其凝膠-溶膠轉變溫度為42°C。

（f）用含有MHZ的注射器可書寫圖案且在包含TMB的結冷膠基底上可發生顯色反應而使圖案變藍。

（g）冷凍干燥后MHZ的SEM圖像。

圖三：MHZ的凝膠機理、流變性能和加熱性能

（a）α-CD，PFOB@DSPE-MPEG2000和PLGA-MPEG納米膠囊以及冷凍干燥的MHZ樣品的XRD曲線。

（b）MHZ的粘度在20°C至42°C范圍內隨溫度變化曲線。

（c）MHZ在振蕩溫度掃描模式下的模量變化實驗。

（d）相同Fe濃度的MHZ和Fe₃O₄@PEI NPs在ACMF（410 kHz，1.2 kA m^-1）下的時間-溫度曲線。

圖四：MHZ的體外催化性能

（a）比較三種不同的表面改性的Fe₃O₄納米顆粒的催化性能。

（b）MHZ在20至45°C溫度范圍內產生羥自由能力的變化。

（c）不同的溫度下MHZ催化能力隨著濃度的葡萄糖（8、4、2、1和0.5 mM）變化的曲線。

（d）MHZ在42°C，pH = 5.2時的催化能力隨時間變化曲線。（10 μL，10 mg/mL TMB; 32μL，30 wt％H₂O₂）。

圖五：MHZ在腫瘤組織中的離體擴散性能

（a）MHZ在ACMF照射下在離體腫瘤組織中的擴散過程。

（b）在添加D-甘露醇前后的腫瘤組織的H＆E染色圖像。

（c）ACMF和D-甘露醇共同作用前后，腫瘤組織的PB＆NFR雙重染色圖像。

（d）注射MHZ后，暴露于ACMF 10分鐘前后獲得的荷瘤小鼠的T2加權MR圖像。

圖六：腫瘤治療過程中不同實驗組的分類圖像

不同實驗組分類情況及紅外熱成像監測MHZ和熱療組在ACMF作用下的熱療過程。

圖七：體內抗腫瘤效果

（a）30天后不同治療組4T1荷瘤小鼠的照片。

（b）治療30天后各組4T1荷瘤小鼠腫瘤切片的H＆E染色圖像。

（c）HSP 70在三組腫瘤組織中的免疫組化及定量對比。

圖八：不同實驗組腫瘤體積及存活率

（a）治療后不同組的相對腫瘤體積（插圖：離體腫瘤對比）。

（b）經過不同治療過程后，4T1荷瘤小鼠的長期存活率。

【結論展望】

綜上所述，作者提出了一種由磁熱驅動克服腫瘤內擴散障礙和發揮協同治療效應的智能可注射超分子水凝膠MHZ。MHZ利用PEG化納米粒子和α-CD之間的包合作用成膠并且具備剪切變稀可注射性能和42℃相變液化能力。通過小鼠4T1腫瘤治療試驗發現，MHZ可在42℃溫和熱療溫度下結合納米酶促氧化的能力，協同治療消退小鼠腫瘤。這使得長期困擾腫瘤熱療中細胞對熱應激的抵抗力問題獲得突破的希望。這種由單一納米顆粒發揮高溫和催化療法的雙重功能以協同地治療腫瘤策略為更安全和精確地協同治療實體瘤提供了通用平臺。后續作者將更加系統地研究腫瘤磁感應熱療中存在的瓶頸，以期為磁感應熱療走向臨床貢獻綿薄之力。

文獻鏈接：Enhanced Tumor Synergistic Therapy by Injectable Magnetic Hydrogel Mediated Generation of Hyperthermia and Highly Toxic Reactive Oxygen Species(ACS Nano 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b06134)

課題組介紹

張宇教授:東南大學生物科學與醫學工程學院副院長，生物電子學國家重點實驗室常務副主任、江蘇省生物材料與器件重點實驗室副主任，江蘇省高校生物醫學工程學科聯盟理事長。主要研究方向為磁性納米材料及生物醫學納米技術，致力于納米酶、POCT快速診斷、分子影像及腫瘤診療一體化研發、應用及產業化。研制出首個MRI造影用納米氧化鐵國家標準物質以及納米酶活性測量方法的國家標準，填補了國內外空白；通過構建超小磁性納米探針突破了肝臟原位腫瘤難以主動靶向成像的難題；建立了磁性納米探針評價腫瘤EPR效應并指導納米藥物用藥的方法；構建了多模態影像指導的納米探針靶向腫瘤磁感應熱療以及多種智能介入栓塞熱療微球與磁凝膠。發現了Fe₃O₄納米顆粒具有pH依賴的雙酶活性，發現了Co₃O₄和普魯士藍（PB）納米顆粒具有更豐富的多酶活性，提出電荷轉移的催化新機制；基于PB納米酶實現了對炎癥在體超聲和磁共振雙模成像，并發現其具有廣泛的清除ROS和抗氧化、抗炎能力。還發展了多種具有自主知識產權的利用納米酶進行免疫檢測的新方法，完成臨床病例檢測近300例。已發表 SCI論文 100 多篇，包括 JACS、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials 等，申請專利20多項，參與獲國家省部級科技進步獎5項，主持或參與多項國家自然科學基金項目、國家973、863項目、科技支撐計劃、重點研發計劃等課題。

課題組主頁：http://lbmd.seu.edu.cn/nano/

團隊在相關領域研究文獻：

腫瘤磁感應熱消融：Wu, Haoan, et al. "Injectable thermosensitive magnetic nanoemulsion hydrogel for multimodal-imaging-guided accurate thermoablative cancer therapy." Nanoscale 9.42 (2017): 16175-16182.

磁感應熱化療清除腫瘤術后殘余：Wu, Haoan, et al. "Injectable magnetic supramolecular hydrogel with magnetocaloric liquid-conformal property prevents post-operative recurrence in a breast cancer model." Acta biomaterialia 74 (2018): 302-311.

四氧化三鐵納米顆粒雙酶活性：Chen, Zhongwen, et al. "Dual enzyme-like activities of iron oxide nanoparticles and their implication for diminishing cytotoxicity." Acs Nano 6.5 (2012): 4001-4012.

本文由大兵哥供稿。

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