一种用于诱导肿瘤铁死亡的在酸性肿瘤微环境下可自供过氧化氢的级联纳米酶

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes

纳米酶催化肿瘤死亡是一种新型的癌症治疗手段。具有过氧化物酶活性的纳米酶通过催化过氧化氢产生高活性的羟基自由基(•OH)杀死癌细胞。这一方法因纳米酶稳定性高、成本低、催化活性可调以及可在体内进行原位催化反应等优点而被广泛应用。然而，在肿瘤微环境(50-100µM)中纳米酶催化活性不足和内源性过氧化氢不足限制了羟基自由基的生成是纳米酶催化肿瘤治疗的主要障碍。近日，中国科学院纳米材料生物医学效应与纳米安全重点实验室&中国科学院纳米科学卓越中心的陈春英针对这一问题在Angewandte Chemie International Edition发表了题为“Charges-Enhanced Molybdenum Disulfide Nanozyme Activity for Ultrasound-Mediated Cascade-Catalytic Tumor Ferroptosis”的研究工作。该文章的第一作者是同一研究机构的王龙伟等人。他们提出了一种可以在酸性微环境中自发生成过氧化氢并且可通过超声波介导提高催化活性的级联纳米催化剂(BTO/MoS2@CA)，并且分别在正负电荷视角的理论层面和具体的实验层面证明了其有效性。

图 1.正负电荷增强MoS2过氧化物酶样催化活性以有效抗肿瘤治疗的示意图。(a) BTO/MoS2@CA的合成示意图，正负电荷促进过氧化氢的解离。(b) BTO/MoS2@CA在超声辐照下的压电催化处理工艺。

级联纳米酶BTO/MoS2的合成共有三步。首先，采用水热法合成圆角纳米立方BTO (C-BTO)。为了使其具有压电性，将C-BTO在800℃下退火得到T-BTO。最后，通过微波辅助水热法在BTO表面原位合成了少层MoS2纳米片，形成了BTO/MoS2异质结构。BTO/MoS2表面变得粗糙。通过制备不同质量比的BTO和MoS2发现，随着MoS2质量比的增加，它会各自凝聚成纳米球，因此合适的BTO和MoS2的比例为16:1。如图2所示，作者首先给出了BTO/MoS2的合成过程，并且通过多种实验图像从结构和元素等方面佐证了BTO/MoS2的成功制备。

图 2.BTO/MoS2的合成与表征。(a)合成BTO/MoS2的过程图。(b, c) BTO/MoS2的SEM和TEM图像。(d) BTO/MoS2的HRTEM图像(Ⅰ)、(Ⅱ)和(Ⅲ)分别为MoS2、BTO和BTO/MoS2的接触面。(e) BTO/MoS2的EDS元素映射图。(f) BTO、MoS2和BTO/MoS2的XRD谱图。(g) BTO、MoS2和BTO/MoS2的拉曼光谱；BTO/MoS2 的(h) Mo 3d和(i) S 2p的XPS谱。

随后，图3和图4分别从实验和理论机理上分析了超声对纳米酶活性的增强效应。超声激活了压电材料的正负电荷，可以从理论上解释为MoS2与过氧化氢之间的结合能降低，促进过氧化氢的解离，增强MoS2的过氧化酶样活性。

图 3.超声增强MoS2的过氧化物酶样活性。(a) 过氧化氢分解反应过程和TMB氧化反应过程。(b) 过氧化物酶样活性在652 nm处随时间变化的吸光度。(c) BTO/MoS2和BTO, MoS2 混合物中BTO和MoS2组合的CI值。(d)检测•OH的ESR光谱；不同过氧化氢浓度和BTO/MoS2的oxTMB在(e)超声照射下或(f)无超声照射下的吸光度。(g)以过氧化氢为底物的BTO/MoS2在超声辐照或不辐照下的Michaelis-Menten动力学分析和(h) Lineweaver-Burk绘图。(i) BTO/MoS2处理后谷胱甘肽的消耗(数据以平均值±s.d.表示，n = 3)。

图 4.超声增强MoS2 过氧化物酶样催化活性的机理。(a) 超声驱动的BTO表面电荷分布示意图。通过施加-12 ~ 12v的斜坡电压，得到了标准铁电振幅曲线(b)和相位曲线(c)。(d) 过氧化氢在带负电荷或正电荷的MoS2表面的分解过程。绿色、黄色、红色、灰色球体分别代表Mo、S、O、H原子。(e) 过氧化氢分解过程的反应能。(f)反应第四步的电荷密度。

最后，作者分别使用离体癌细胞和患癌小鼠作为样本进行实验，如图5，图6所示。实验中，离体癌细胞的存活率以及小鼠体内肿瘤的质量显著降低，证明了BTO/MoS2@CA诱导肿瘤细胞铁死亡的作用。

图 5.BTO/MoS2@CA对CT-26癌细胞的体外作用。(a) 酸碱度响应性CA释放和铁死亡示意图。(b)用不同浓度的BTO/MoS2@CA培养的CT-26细胞的存活率。(c)不同浓度BTO/MoS2@CA培养的CT-26细胞DCFH-DA染色。(d)流式细胞术分析不同处理后细胞内ROS；不同浓度间隔BTO/MoS2@CA培养的BTO/MoS2@CA-treated CT-26细胞的GSH水平(e)和GPX4活性(f)。(g)用不同浓度的BTO/MoS2@CA对GPX4蛋白进行Western blot分析。(h) BTO/MoS2@CA与各种抗氧化剂包括谷胱甘肽(8 mM)、Nac (8 mM)、Cys (8 mM)、VE (50 mM)联合处理的CT-26细胞存活率。

图 6.BTO/MoS2@CA对患CT-26肿瘤小鼠的体内效应。(a) CT-26模型建立和处理示意图。(b)不同处理后荷瘤小鼠体重变化(n = 5)。(c)肿瘤生长曲线(n = 5)。(d)最终肿瘤重量(n = 5)。(e) (1) PBS， (2) CA + US， (3) BTO/MoS2@CA， (4) BTO/MoS2 + US， (5) BTO/MoS2@CA + US切除肿瘤照片。(f)各治疗组肿瘤组织H&E、GPX4、Ki-67、TUNEL染色。

本文首次证明了压电产生的自由电荷可以增强MoS2的过氧化物酶样活性。同时，超声介导非常安全，并且解决了基于光敏剂的光动力疗法(PDT)的组织穿透深度有限问题。在酸性肿瘤微环境中，纳米酶(BTO/MoS2@CA)可自发生成过氧化氢，并且在超声介导下以高效率反应生成高活性毒性羟基自由基(•OH)，消耗谷胱甘肽，使得氧化还原稳态失衡并诱导肿瘤细胞铁死亡。这一试验工作有进一步对人体肿瘤细胞实验并向临床转化的意义。更重要的是，通过增加自由电荷增强纳米酶催化活性的工作为调控纳米酶催化性能提供了一个新的研究方向，这对未来纳米酶的进一步发展具有重要意义。

转自：“NANO学术”微信公众号

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