基于二氧化锰的纳米马达用于增强抗肿瘤化学动力疗法

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化学动力疗法(Chemodynamic therapy,CDT)是一种新兴的基于芬顿化学的癌症治疗策略,其可以将癌细胞内的内源性过氧化氢(Hydrogen peroxide,H2O2)转化为有毒的羟基自由基(Hydroxyl radical,·OH),从而引起癌细胞的凋亡和坏死。然而,由于癌细胞内高含量的抗氧化剂谷胱甘肽(Glutathione,GSH)具有清除·OH的作用,典型的基于Fe2+的CDT治疗策略会受到明显的抑制。近年来,基于二氧化锰(Manganese dioxide,MnO2)的CDT治疗剂由于其独特的GSH消耗能力并释放芬顿样Mn2+而引起了广泛的关注。然而,普通的被动CDT治疗剂由于肿瘤组织穿透差,被肿瘤细胞摄取的量十分有限,因此通常依赖于大剂量给药,从而导致不良反应。通过赋予基于MnO2的CDT治疗剂自主运动的能力来增强其对肿瘤细胞的穿透能力,进而促进肿瘤细胞内引发的类芬顿反应(Fenton-like reaction),将会是提高CDT疗效的一种有效策略。作为一种新型的人造微型设备,微纳米马达(Micro/nanomotors,MNMs)能够将周围环境的能量(化学或物理能量)转化为机械动能。基于自主运动的特性,MNMs已经被开发应用于抗肿瘤药物的主动递送。与只能进行布朗运动的被动药物载体相比,自驱动MNMs可以有效增强抗癌药物以及药物载体本身在癌细胞/肿瘤组织的递送效率,从而增强抗肿瘤疗效。二氧化锰纳米粒子(MnO2 NPs)本身作为CDT治疗剂,将其设计为具有主动运动能力的纳米马达系统,在促进肿瘤细胞/组织摄取和增强疗效方面具有重要意义。在这里,我们首次提出了一种基于中空二氧化锰纳米粒子(H-MnO2 NPs)的纳米马达系统(Au@H-MnO2),用于主动递送芬顿样Mn2+和增强CDT治疗。通过离子溅射法在H-MnO2 NPs表面不对称地修饰一层超小金纳米粒子(Au NPs),使其形成半包围的阴阳型结构。由于H-MnO2 NPs为中空结构,具有较大的比表面积和较高的催化活性,裸露部分的H-MnO2 NPs在与H2O2燃料接触时,会发生不对称的催化反应产生氧气(Oxygen,O2)和水。形成的反应物浓度梯度和O2的持续产生促使Au@H-MnO2纳米马达向Au NPs包围一侧推进,实现增强扩散运动。实验结果表明,纳米马达即使在较低浓度(100 μM)的H2O2燃料中也可以实现增强扩散运动,其速度可达3.85μm/s,并且,马达的运动速度随着燃料浓度的升高而加快。亚甲蓝降解模型表明与Mn2+和只做布朗运动的H-MnO2NPs相比,具有自主扩散能力的Au@H-MnO2纳米马达表现出更明显的化学动力学活性。此外,在2D细胞实验和3D多细胞肿瘤球实验(B16细胞模型)中,与被动纳米粒子相比,纳米马达表现出更强的细胞/肿瘤球穿透能力。当Au@H-MnO2纳米马达进入肿瘤细胞后,会迅速与细胞内高浓度的GSH发生氧化还原反应,GSH的消耗一方面可以避免其对细胞内氧化应激的抵御作用,另一方面可以引起大量类芬顿样Mn2+的响应性释放。而Mn2+可以在生理环境中碳酸氢盐(HCO3-)的存在下介导类芬顿反应的发生,将肿瘤细胞中内源性H2O2转化为·OH,从而增强CDT的治疗效果。在此,我们首次将具有运动特性的纳米马达与抗肿瘤CDT治疗策略进行整合,在无需外场辅助下实现了增强的CDT治疗作用,未来有望成为有潜力的癌症治疗平台。
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