武汉大学王富安教授课题组Chem.Sci.:智能ZIF-8门控聚多巴胺纳米平台用于体内协同增强型联合光学治疗
武汉大学王富安教授课题组合成了一种多功能的ZIF-8门控聚多巴胺纳米颗粒（PDAs）载体，并利用其将光敏剂（MB）和过氧化氢酶（CAT）导入肿瘤细胞，实现了协同增强型的光动力-光热联合治疗。相关成果发表在Chem.Sci.（DOI:10.1039/c9sc06337d）上。
传统的单模态光动力疗法（PDT）或光热疗法（PTT）治疗肿瘤效率有限，因此迫切需要开发联合光学治疗策略来应对致死性肿瘤的极端复杂性和异质性。肿瘤血管系统中O2的供应不足，低氧肿瘤组织给药缺乏特异性，导致光疗法对低氧性实体瘤的治疗效果不理想。
武汉大学王富安教授课题组合成了一种多功能的ZIF-8门控聚多巴胺纳米颗粒（PDAs）载体，可以选择性地释放光敏物质并持续生成O2，促进癌症特异性治疗，增强光动力-光热联合治疗效果。作者通过简单的原位和顺序生长法制备了致密的无机/有机杂化纳米体系 PDAs-ZIF-8 （PZ）。ZIF-8的多孔结构在组装过程中高效地封装了MB和CAT，从而得到了多功能的PDAs-MB-CAT-ZIF-8（PMCZ）纳米颗粒（Figure 1A）。PMCZ在肿瘤酸性pH环境中触发释放MB和CAT，催化H2O2分解成O2。有效转换近红外光为热，热诱导消除癌细胞，显著提高O2依赖的PDT和联合光疗的效率（Figure 1B）。
Figure 1.A.PMCZ的组装 B.PMCZ治疗原理（图片来源：Chem. Sci.）
透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）表征了PDAs和PMCZ的形态（Figure 2A）。PMCZ平均大小比PDAs大20 nm，其直径变化符合动态光散射（DLS）结果（Figure 2B），表明ZIF-8壳成功组装在PDAs表面。X-射线衍射(PXRD)结果也证明了ZIF-8的成功沉积，包封MB和CAT对ZIF-8的晶体结构没有影响（Figure 2C）。十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）显示从PMCZ中提取的CAT的特征条带（分子量为60 kDa），验证了CAT成功包封到PMCZ中（Figure 2D）。
Figure 2.PMCZ的表征 A.PDAs（a，b）和PMCZ（c，d）的TEM和SEM图，比例尺：100 nm B.PDAs（P）、PDAs-ZIF-8（PZ）、PDAs-MB-ZIF-8（PMZ）、PMCZ的尺寸分布 C.ZIF-8、PZ、 PMZ和PMCZ的XRD图 D.标记物对应蛋白（1）、PMZ（2）、PMCZ（3）和游离过氧化氢酶（CAT，4）的SDS-PAGE分析（图片来源：Chem. Sci.）
作者研究了MB的可控释放效果，将PMCZ纳米颗粒置于不同pH值的缓冲液中孵育。MB在pH 7.4时几乎未释放，而在pH 5.0时PMCZ有明显的持续释放。培养25 h后，15 %和60 %的MB分别在pH 7.4和pH 5.0缓冲液中被释放（Figure 3A）。在660 nm的光照射下，释放的MB作为一种高效的PDT光敏剂，产生单线态氧（1O2），激发细胞死亡。在660 nm的光照射下，pH 5.0时，单线态氧检测试剂DPBF（1,3-二苯基异苯并呋喃）的吸光度下降了80 %。pH 7.4时，DPBF的吸光度下降了50 %，表明在酸性环境增强了1O2生成。同时释放的CAT可以进一步催化H2O2生成O2（Figure 3B）。作者使用O2探针（[Ru(dpp)3]Cl2(RDPP)）评估了PMCZ引起的H2O2释放O2的效果， PMCZ 和H2O2共孵育后，RDPP的荧光2 min内淬灭（Figure 3C）。RDPP随着H2O2浓度的增加而降低，说明生成的O2确实来源于H2O2的分解。作者通过800 nm紫外光照射（2 W cm-1）研究PMCZ的光热转换性能，结果显示PMCZ溶液的温度随浓度升高或照射时间增长而升高（Figure 3D）。即PMCZ的光热转换性能良好。
Figure 3.PMCZ的MB释放、O2生成、光动力和光热性能的体外评价 A.不同pH刺激下PMCZ（50 µg mL-1）释放的MB随时间的变化 B.不同处理下不同样品1O2的生产效率。（1）DPBF（2）DPBF和660 nm辐照（100 mW cm-2）（3）DPBF和H2O2（100 μM）（4）DPBF，H2O2（100 µM）和660 nm辐照（100 mW cm-2）（5）pH 7.4时DPBF和PMCZ（50 µg mL-1）（6）pH 5.0时DPBF和PMCZ（50 µg mL-1）（7）pH 5.0时DPBF、PMCZ（50 µg mL-1）和H2O2（100 µM）
C.这些不同的样品在不同条件下与RDPP共孵育后的O2生成。（1）H2O2（100 µM）（2）H2O2（100 µM）和PDAs（50 µg mL-1）（3）H2O2（100 µM）和PZ（50 µg mL-1）（4）H2O2（100 µM）和PMZ（50 µg mL-1）（5）H2O2（100 µM）和PMCZ（50 µg mL-1）（6）H2O2（500 µM）和PMCZ（50 µg mL-1）（7）H2O2（1000 µM）和PMCZ（50 µg mL-1） D.不同浓度的PMCZ在808 nm光照下（2W cm-2）的升温曲线（图片来源：Chem. Sci.）共聚焦成像研究PMCZ的细胞摄取，经PMCZ处理的细胞的红色荧光更强（Figure 4A），即HeLa细胞有效地内化了PMCZ。用二乙酸二氯荧光素（DCFH-DA）测定HeLa细胞内ROS的生成。DCFH-DA可被ROS氧化生成二氯荧光素（DCF）（绿色）。660 nm光辐射的HeLa细胞没有DCF的荧光（Figure 4B），说明这些样品中没有产生ROS。PMZ处理的HeLa细胞（Figure 4B）中观察到强烈的绿色荧光，说明PMZ在激光照射下能够产生ROS。经CAT包封的PMCZ处理的细胞（Figure 4B），细胞内ROS的表达明显增加，表明PMCZ释放的CAT有效促进了ROS生成O2 。为了验证机制，用RDPP定性评价细胞内O2的产生（Figure 4C）。经PMCZ处理的CAT缺失细胞显示更强的绿色 ，而RDPP处理的PMCZ组显示的弱荧光。所有这些都表明，PMCZ可以有效地改善肿瘤的缺氧环境。在体外比较PMCZ + PDT + PTT组、PMCZ + PDT组和PMCZ + PTT组的细胞毒性，显然PMCZ + PDT + PTT的细胞毒性明显比PMCZ + PDT组和PMCZ + PTT组低（Figure 4D）。活死细胞染色法观察不同处理的细胞的凋亡（Figure 4E），流式实验显示细胞凋亡数据（Figure 4F），揭示O2能增强PDT效果和联合光动力治疗效果。
Figure 4.纳米药物PMCZ的体外抗肿瘤效果 A.PMCZ（50 µg mL-1）处理HeLa细胞4 h成像 B.HeLa细胞内ROS的CLSM图像（1）对照（2）肿瘤细胞与660 nm辐照（100 mW cm-2）（3）PMZ（50 µg mL-1）（4）PMCZ（50 µg mL-1）（5）PMZ（50 µg mL-1）+PDT（100 mW cm-2）（6）PMCZ（50 ug mL-1）+PDT（100 mW cm-2） C.不同处理RDPP孵育HeLa细胞4h的CLSM图像（1）对照（2）PMZ（50 µg mL-1）（3）PMCZ（50 µg mL-1） D.不同浓度的PMCZ和光照射（660 nm，100 mW cm-2 或 808 nm和2 W cm-2）孵育后HeLa细胞的存活率
E.不同处理的钙调素AM/PI共染HeLa细胞成像（1）对照（2）PMCZ（50 µg mL-1）（3）PMCZ（50 µg mL-1）+ PDT（660 nm，100 mW cm-2）（4）PMCZ（50 µg mL-1） + PTT（808 nm，2 W cm-2）（5）PMCZ（50 µg mL-1）+ PDT（660 nm, 100 mW cm-2）+ PTT（808 nm，2 W cm-2）比例尺50 µm F.流式分析不同处理的Annexin V 和 FITC-PI处理的海拉细胞完整的海拉细胞（1）对照（2）PMCZ（50 µg mL-1）（3）PMCZ （50 µg mL-1） + PDT （660 nm， 100 mW cm-2）（4）PMCZ（50 µg mL-1） + PTT（808 nm，2 W cm-2）（5）PMZ（50 µg mL-1）+ PDT（660 nm，100 mW cm-2）+ PTT（808 nm，2 W cm-2）（6）PMCZ（50 µg mL-1）+ PDT（660 nm，100 mW cm-2）+ PTT（808 nm，2 W cm-2）比例尺50 µm（图片来源：Chem. Sci.）作者进一步研究了PMCZ在体内的效果，首先研究了光热治疗效果，PMCZ处理的肿瘤在2 min内快速升到45度，足以杀伤细胞，而对照组变化不大，证明了其光热治疗的可行性（Figure 5A）。PBS或PMCZ处理小鼠肿瘤都生长迅速，说明仅PMCZ处理对肿瘤生长无影响。相比之下，PMCZ + PDT或PMCZ + PTT组对肿瘤生长有中度抑制作用，但仍不能完全抑制肿瘤增长。PMCZ + PDT + PTT组肿瘤完全被抑制（Figure 5B and 5C）。PMCZ + PDT + PTT组疗效显著高于对照组CAT缺失的PMZ + PDT + PTT组，归因于PMCZ诱导缺氧改善PDT在肿瘤缺氧微环境中的作用。苏木精和伊红(H&E)染色和原位终末脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP刻痕末端标记对肿瘤不同处理的抑制效果进行评估（Figure 5E），PMCZ + PDT + PTT组合疗法导致癌细胞凋亡最多。组织成像显示PMCZ + PDT + PTT组肿瘤组织表现出严重的核破坏（Figure 5F）。这些结果证实PMCZ 在肿瘤缺氧的微环境中促进O2的产生。
Figure 5.纳米药物PMCZ的体内抗肿瘤作用 A.808 nm光照射（1 W cm-2）不同处理小鼠的热红外图像a.PBS（50 µL）b.PMCZ（50 µL，800 µg mL-1）B.不同处理小鼠的相对肿瘤体积生长曲线和 C.肿瘤重量 D.每次不同治疗结束时从荷瘤小鼠身上收集的肿瘤 E.H＆E和F.TUNEL染色图像从不同治疗组抗肿瘤研究（1）PBS （50 µL）（2）PMCZ（50 µL，800 µg mL-1）（3）PMCZ（50 µL，800 µg mL-1）+ PDT（660 nm， 1 W cm-2）（4）PMCZ（50 µL，800 µg mL-1）+ PTT（808 nm，1 W cm-2）（5）PMZ（50 µL，800 µg mL-1）+ PDT（660 nm，1 W cm-2）+ PTT（808 nm，1 W cm-2）和（6）PMCZ （50 µL，800 µg mL-1） + PDT（660 nm，1 W cm-2）+ PTT（808 nm，1 W cm-2）比例尺：100 µm（图片来源：Chem. Sci.）
总结：武汉大学王富安教授课题组通过简单的原位和顺序生长法制备了致密的无机/有机杂化纳米体系 PDAs-ZIF-8 （PZ）。并利用其将光敏剂（MB）和过氧化氢酶（CAT）高效地封装（PMCZ）导入肿瘤细胞，PMCZ在肿瘤酸性pH环境中触发释放MB和CAT，催化H2O2分解成O2。有效转换近红外光为热，热诱导消除癌细胞，显著提高O2依赖的PDT和联合光疗的效率。这种多模式治疗和无机/有机杂化纳米体系，为提高肿瘤治疗疗效提供了新的思路。作者的研究揭示了联合光疗的有效整合，拓宽了基于智能协同治疗的癌症诊断和立即给药的范围。
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