Adv. Funct. Mater. 自给氧气仿生纳米平台用于高精准光动力治疗


【引言】

光动力治疗是一种对恶性肿瘤很有希望的治疗方法,它被用于治疗皮肤癌,也被发展使用近红外光进行激发,从而实现深入组织的治疗。但由于肿瘤部位的乏氧性,不利于光动力治疗的有效实施。此外,纳米材料的生物医学应用还受困于其靶向性。

【成果简介】

最近武汉大学的张先正(通讯作者)等人设计了一种氧气自给予仿生细胞的纳米复合材料 CAT-PS-ZIF@ Mem(见[注])。由于癌细胞膜的同源靶向作用,CAT-PS-ZIF@Mem 被静脉注射到体内,选择性的积累在肿瘤位置,并被肿瘤有效的摄取。细胞内的H2O2渗透到这个多孔材料的骨架中,被过氧化氢酶CAT催化,在乏氧的肿瘤处产生O2,促进单线态氧的产生,在近红外光的照射下实现光动力治疗。通过结合免疫和细胞同源识别,以及氧气自给予,实现了高靶向性和高效的光动力治疗,大大减少了对周围正常组织的伤害。

[注]Mem: 癌细胞膜;ZIF-8:类似于细胞骨架的多孔沸石咪唑骨架,并嵌入过氧化氢酶CAT光敏剂AlPcS4。

【图文导读】

图1 基于纳米金属-有机骨架NMOF骨架的类细胞的仿生平台用于靶向光动力治疗(PDT)

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(a)CAT-PS-ZIF@Mem的合成。

(b)纳米材料CAT-PS-ZIF@Mem通过静脉注入后,经血液循环选择性的积累在肿瘤部位。

(c)在近红外光照射下,同源靶向的纳米材料CAT-PS-ZIF-Mem在肿瘤组织处积累并高效地实现光动力治疗。

图2 CAT-PS-ZIF@Mem 材料的表征

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(a)CAT-PS-ZIF@Mem 形貌SEM和TEM图片

(b)CAT-PS-ZIF@Mem 纳米球的高分辨透射电镜

(c)CAT-PS-ZIF@Mem 在培养基中孵育24h后的SEM和TEM图片

(d)CAT-PS-ZIF@Mem 和在培养基中孵育后的CAT-PS-ZIF@Mem 的XRD

(e)Hale 细胞细胞膜,CAT-PS-ZIF,CAT-PS-ZIF@Mem的SDS-PAGE蛋白分析

图3 细胞内ROS的检测

图片3

(a)细胞与Vc,DCFH-DA共同孵育后,细胞内的ROS的荧光检测。

(b)细胞和DCFH-DA共同孵育后,细胞内的ROS的荧光检测

(c)细胞和CAT-PS-ZIF@Mem和DCFH-DA共同孵育后,细胞内的ROS的荧光检测

(d)细胞和CAT-PS-ZIF@Mem 和DCFH-DA共同孵育后,细胞内的ROS的荧光检测

(A1)-(D1)为DCF的荧光(绿色),反映细胞内的ROS;(A2)-(D2)为明场;(A3)-(D3)默置的图片。

图4 CAT-PS-ZIF@Mem在不同细胞内的摄取对比

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(a)Hela细胞内对CAT-PS-ZIF@Mem的摄取

(b)COS7细胞内对CAT-PS-ZIF@Mem的摄取。A1,B1为染料Hoechst33342的蓝色荧光;A2,B2为AlPcS4的红色荧光;A3,B3为明场;A4,B4为默置图片。
(c) Hela(green)细胞和COS7(orange)细胞内的CAT-PS-ZIF@Mem

(d)流式细胞仪对应的MFI 值分析

图5 巨噬细胞对CAT-PS-ZIF@Mem和CAT-PS-ZIF的细胞内摄取

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(A)巨噬细胞对CAT-PS-ZIF@Mem 细胞内摄取情况的成像

(B)巨噬细胞对 CAT-PS-ZIF的细胞内摄取情况的成像。A1,B1为染料Hoechst33342的蓝色荧光;A2,B2为AlPcS4的红色荧光;A3,B3为明场;A4,B4为默置图片。

(C)被巨噬细胞摄取的CAT-PS-ZIF@Mem (蓝色)细胞和CAT-PS-ZIF(橘色)没有做任何处理的细胞 (红色) 控制组

(D)流式细胞仪对应的MFI 值分析

图6 治疗后对细胞凋亡的观察

图片6

(a)只对细胞进行光辐照,观察细胞的凋亡状态。

(b)仅对细胞与CAT-PS-ZIF@Mem共同孵育,观察细胞的凋亡状态。

(c)仅对细胞与PS-ZIF@Mem共同孵育,观察细胞的凋亡状态。

(d)对细胞与PS-ZIF@Mem共同孵育并进行光辐照,观察细胞的凋亡状态。

(e)对细胞与CAT-PS-ZIF@Mem共同孵育并进行光辐照,观察细胞的凋亡状态。(A1)-(E1) 联膜蛋白V标记的FITC染色,表征凋亡细胞。(A2)-(E2)明场;(A3)-(E3)默置

图7 细胞凋亡时期分布对比

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(a)在不同的治疗下,Hela细胞凋亡状况的流式分析

(b)早期凋亡细胞的百分比分析

(c)晚期凋亡细胞的百分比分析

(d)治疗后死亡细胞的百分比

图8 CAT-PS-ZIF和CAT-PS-ZIF@Mem的细胞毒性

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(a)Hela细胞,与CAT-PS-ZIF孵育。黑色为没有光照,灰色为光照

(b)COS7细胞,与CAT-PS-ZIF孵育。黑色为没有光照,灰色为光照

(c)Hela细胞,与CAT-PS-ZIF@Mem孵育。黑色为没有光照,灰色为光照

(d)COS7细胞,与CAT-PS-ZIF@Mem孵育。黑色为没有光照,灰色为光照

图9 小鼠不同位置的肿瘤组织的展示

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(a)对种瘤小鼠仅注射PBS缓冲液

(b)静脉注射PS-ZIF@Mem

(c)静脉注射CAT-PS-ZIF@Mem。 A1-C1为染料DAPI的红色;A2-C2为HIF-1α抗体(检测低氧)的免疫荧光染色;A3-C3为默置图片。

图10 实验鼠静脉注射后,生物活体成像及器官的体外成像

图片10

(a)静脉注射CAT-PS-ZIF@Mem,随着孵育时间,活体成像的变化。 A1为孵育0h,A2为孵育1h,A3孵育4h,A4孵育6h,A5孵育8h,A6孵育24h,A7孵育48h,A8孵育72h。A9为为孵育72h后补充注射药物,对各个器官进行体外成像。

(b)静脉注射CAT-PS-ZIF,B1为孵育0h,B2为孵育1h,B3孵育4h,B4孵育6h,B5孵育8h,B6孵育24h,B7孵育48h,B8孵育72h,B9为孵育72h后补充注射药物,对各个器官进行体外成像。

(c)药物注射72h后,实验鼠各器官对应的MFI值。

(d)血液中CAT-PS-ZIF@Mem和CAT-PS-ZIF的浓度随着循环时间的变化。

图11 在活体中静脉注射抗癌研究

图片11

(a)注射药物22天后, 小鼠不同位置肿瘤情况的照片

(b)注入不同治疗药物并进行光照治疗后,不同位置肿瘤体积随着时间的变化

(c)小鼠体重的变化

(d)肿瘤治疗的变化

(e)通过免疫印迹法,对肿瘤中Caspase-3和Bcl-2蛋白表达的分析

(f)Caspase-3和Bcl-2蛋白表达定量分析

(g)不同治疗后,对小鼠的GPT和AST的血清水平分析

(h)不同位置肿瘤组织的组织切片(通过H&E染色)

【小结与展望】

基于沸石ZIF-8纳米球合成的仿生氧气自给予的纳米平台,可以用于活体中高效精准的肿瘤治疗。 这个体系由于其表面的癌细胞膜的同源作用,即使在静脉注射下,也可以逃逸免疫并有效的到达肿瘤组织。这个独特的纳米材料的仿生制备方法,期待被用于构造更多多功能的仿生平台,可以应用于癌症精准诊疗。

文献链接:An O2 Self-Sufficient Biomimetic Nanoplatform for Highly Specific and Efficient Photodynamic Therapy(Adv. Fuct. Mater.,2016,DOI: 10.1002/adfm.201603212)

本文由材料人生物材料小组许红威供稿,欧洲足球赛事 编辑整理。

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