林恒偉團隊Angew. Chem. Int. Ed.：腫瘤微環境響應型碳點-Cu2+離子納米組裝體用于成像及協同治療

【研究背景】

腫瘤微環境（TME）以新生血管、異常的生物合成中間體、弱酸環境、乏氧為主要特征，為腫瘤的產生及發展提供了條件，并且與腫瘤的侵襲性轉移及多藥耐藥性的產生密切相關。此外，TME的特異性也為癌癥治療提供了有效靶點，因而在探索全新抗癌策略的過程中發揮著重要作用。基于納米材料構建的針對內源性TME及外源刺激（光/磁場/超聲波等）響應的診療平臺具有靶向治療及降低副作用的優勢。碳點（carbon dots, CDs）作為一類新型熒光納米材料，憑借穩定的光學性能、優異的生物相容性、易于修飾性及潛在的光熱（PTT）/光動力（PDT）治療性能而在腫瘤診療領域展現出巨大的應用潛力。目前，限制CDs在該領域應用的主要因素包括：1）在腫瘤組織的累積不充分（受限于小尺寸性）；2）缺乏針對腫瘤微環境特異性識別、響應的能力；3）單一模式的治療效率有限，部分提高效率的方法伴隨著提升治療副作用的風險。

【成果簡介】

近日，中科院寧波材料所/江南大學林恒偉研究員（教授）等人通過簡便組裝光敏劑（Ce6）修飾的熒光碳點（CDs-Ce6）和Cu²⁺的方法，構建了TME智能響應型納米平臺，可用于熒光成像介導下的協同治療。基于金屬離子與CDs-Ce6的絡合效應所制備的納米組裝體（Cu/CC NPs）展現出更適于血液長循環的尺寸（47.5 nm），并且表現出猝滅的熒光與光敏性能。當其暴露于TME的刺激中，Cu²⁺離子一方面能夠與過表達的雙氧水（H₂O₂）反應產生具有癌細胞殺傷力的羥基自由基（?OH）發揮化學動力學治療（CDT）功效，另一方面能夠和腫瘤組織中高濃度的谷胱甘肽（GSH）反應，通過消耗GSH達到增強細胞內活性氧（ROS）產生，放大氧化應激的目的。同時，Cu²⁺在反應中被還原為Cu⁺，與CDs-Ce6的絡合能力減弱，在腫瘤微酸環境的作用下誘導組裝體發生解組裝，同時伴隨著熒光性能與光敏性能的有效恢復及功能組分向腫瘤深組織的擴散。最后，通過細胞及動物層面的實驗證明了Cu/CC NPs優異的協同治療效果（PDT、PTT及光熱增強的CDT）。該文章近日以題為“Tumor Microenvironment Stimuli-Responsive Fluorescence Imaging and Synergistic Cancer Therapy by Carbon- Dot-Cu²⁺ Nanoassemblies”發表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖一、Cu/CC NPs的制備及表征

（a-d）Cu/CC NPs的TEM，HR-TEM，元素mapping圖像以及水合動力學直徑。

（e）CDs, CDs-Ce6以及Cu/CC NPs的紅外光譜。

（f-g）Cu/CC NPs的XPS全譜以及Cu 2p譜。

（h）CDs, CDs-Ce6, Cu/CC NPs以及Ce6的紫外-可見光吸收光譜。

（i）550 nm激發下CDs-Ce6和Cu/CC NPs的熒光光譜。

圖二、Cu/CC NPs的內源刺激響應性

（a）隨GSH的加入，Cu/CC NPs的熒光強度變化。

（b）空白組、CDs-Ce6和Cu/CC NPs分別對GSH的消耗能力評估。

（c）Cu²⁺與H₂O₂反應的方程式。

（d）對照組、Cu/CC NP在雙氧水存在條件下與?OH檢測探針（TA）反應的探針熒光光譜。

圖三、Cu/CC NPs的外源刺激響應性

（a）在660 nm激光輻照下，不同濃度（50至200 μg mL^-1）的Cu/CC NPs溶液溫度隨時間的變化曲線。

（b）不同濃度的Cu/CC NPs溶液（50、100 μg mL^-1）在有/無激光輻照條件下與?OH檢測探針（TA）反應的探針熒光強度的比值。

（c）在660 nm激光輻照下，有/無GSH加入時，Cu/CC NPs溶液與單線態氧檢測探針（SOSG）反應的探針熒光強度隨輻照時間的變化。

（d）在660 nm激光輻照5 min后，SOSG分別與Cu/CC NPs和CDs-Ce6溶液反應的探針熒光強度變化。

圖四、體外熒光成像與協同治療

（a）用Cu/CC NPs和Hoechst處理的4T1細胞的CLSM圖像。

（b）有/無ALA預處理的4T1細胞與Cu/CC NPs孵育的CLSM圖像及熒光強度定量結果。

（c）不同濃度的Cu/CC NPs與正常細胞（MRC-5）及癌細胞（A549和4T1）共孵育24小時后的細胞存活率。

（d）4T1細胞與PBS、H₂O₂、Cu/CC NPs和Cu/CC NPs與H₂O₂的混合溶液孵育后的活/死細胞染色圖像。

（e）與不同濃度的Cu/CC NPs孵育的4T1細胞在不同的激光輻照條件下的細胞存活率。

（f）與DCFH-DA孵育的4T1細胞，分別經過PBS，Cu/CC NP和Cu/CC NPs+激光處理的CLSM圖像及熒光強度定量結果。

圖五、體內成像與抗腫瘤作用

（a）尾靜脈注射材料后不同時間點小鼠主要器官和腫瘤的熒光圖像。

（b）不同處理組荷瘤小鼠激光輻照10分鐘前后的熱成像圖。

（c）b圖對應的小鼠腫瘤部位溫度隨時間變化曲線。

（d）監測期內不同組別荷瘤小鼠的腫瘤體積變化情況。

（e）第1天和第14天不同組別代表性小鼠照片，以及第14天犧牲小鼠收集的腫瘤組織的H＆E染色切片。

【結論展望】

本研究通過CDs-Ce6和Cu²⁺離子的簡便組裝，構建了具有TME及外光源刺激響應性的智能腫瘤診療平臺，展現出TME特異性激活的FL成像、光敏性能與解組裝性能，結合PTT、PDT和光熱增強的CDT協同治療模式，在提高腫瘤治療效率的同時有效降低了副作用。本研究一方面針對CDs在腫瘤生物醫學中的應用，提出了解決CDs腫瘤累積不充分、缺乏TME特異性識別/響應能力及單一治療模式限制的問題的策略，另一方面也拓展了金屬離子在腫瘤治療中的潛在價值。

文獻鏈接：Tumor Microenvironment Stimuli-Responsive Fluorescence Imaging and Synergistic Cancer Therapy by Carbon‐Dot–Cu2+ Nanoassemblies (Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie. 202007786)

團隊介紹：

團隊負責人：林恒偉，江南大學教授，博士生導師，中科院“百人計劃”入選者，主要從事新型發光材料制備與應用及食品安全、疾病診療相關的研究工作。團隊在先進材料(Advanced Materials)、德國應用化學（Angewandte Chemie）、美國化學會志（Journal of the American Chemical Society）等期刊發表SCI論文50余篇（其中SCI高被引論文7篇），被引用3400余次。

團隊在該領域工作匯總：

團隊近年來在碳基熒光納米材料的開發及其在生物醫學領域的應用研究中取得的主要成果總結如下：1）構建了基于碳點的細胞器靶向成像及多種生物小分子和離子（谷胱甘肽、半胱氨酸、抗壞血酸、磷酸根、過氧亞硝酸根等）探針（Chem. Commun. 2015, 51, 12748; Biosens. Bioelectron. 2017, 90, 501; Carbon 2017, 124, 342; Biosens. Bioelectron. 2017, 97, 150; Anal. Chm. 2017, 89, 5542; Nanoscale 2018, 10, 1532；Nanoscale 2018, 10, 17834; Analyst, 2019, 144, 468）；2) 構建了多類基于碳點的納米復合腫瘤診療材料（例如：碳點-光敏劑 （ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 5791），碳點-介孔硅（Nano-Micro Lett. 2019, 11, 32），碳點-金屬離子等），基于復合單元的多模態成像、腫瘤微環境響應、催化及光熱/光動力功能實現了在細胞及小動物層面成像介導下的腫瘤治療。

與該工作相關優質文獻推薦：

1）Zhao, S.; Sun, S.*; Jiang, K.; Wang, Y.; Liu, Y.; Wu, S.; Li, Z.; Shu, Q.*; Lin, H.*, In Situ Synthesis of Fluorescent Mesoporous Silica–Carbon Dot Nanohybrids Featuring Folate Receptor-Overexpressing Cancer Cell Targeting and Drug Delivery. Nano-Micro Lett. 2019, 11, 32.

2）Sun, S., Chen, J., Jiang, k., Tang, Z., Wang, Y., Li, Z., Liu, C.*, Wu, A., Lin, H.*, Ce6-modified Carbon Dots for Multimodal-Imaging-Guided and Single-NIR-Laser-Triggered Photothermal/ Photodynamic Synergistic Cancer Therapy by Reduced Irradiation Power. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 5791. (IF=8.758, JCR Q1)

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。