以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes
与自然界的生物酶相比，纳米酶因其自身优异的稳定性、低成本和易于制造等优点而受到了科研工作者们的广泛关注。利用纳米酶催化产生活性氧（ROS）在肿瘤治疗的研究中被广泛应用，但肿瘤部位的高浓度还原性谷胱甘肽（GSH）可以快速消耗纳米酶催化产生的活性氧，限制了纳米酶的治疗效率。因此，设计肿瘤微环境响应的新型纳米酶在肿瘤部位发生催化产生有毒的活性氧的同时消耗细胞内的GSH，有望提高其对肿瘤细胞的选择性作用。
近日，中国科学技术大学刘扬中教授、程珺洁副研究员、田长麟教授和郑新威副研究员设计了一种生物可降解的聚乙二醇化硫化锰铜纳米酶（PCMS）。PCMS可在肿瘤微环境的微酸与高浓度H2O2/GSH条件下发生催化反应，表现出类过氧化氢酶（CAT）、类氧化酶（OXD）和谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）的三重酶活，显示该纳米酶中含有多价的铜和锰元素的特性。PCMS的类CAT催化作用将H2O2转变成氧气（O2），然后通过类OXD酶活将O2转化为超氧阴离子（·O2-）；同时，PCMS的类GSHOx酶活将GSH转变成GSSG，从而抑制了肿瘤细胞的氧化还原平衡，提高ROS的细胞毒性并高效诱导细胞死亡。此外，PCMS具有优异的光热转换效果，在近红外二区激光（1064 nm）照射下产热，显著增强纳米酶的催化效果，使得抗肿瘤效果进一步增强；除治疗作用之外，PCMS还可以进行多模态成像，包括光热成像、光声成像和磁共振成像，这使得PCMS在肿瘤中可以实现诊疗一体化。
图1. PCMS用于光热增强级联催化治疗的机理示意图。
一
纳米酶PCMS的制备与表征
通过多步法制备得到硫化锰铜CMS粒径约为140 nm，具有纳米花结构（图2c）；采用DSPE-PEG通过疏水相互作用制备PEG化的PCMS以提高纳米颗粒的水溶性和稳定性。能量色散X射线光谱（EDX-mapping）表明Cu、Mn和S均匀分布于颗粒中；X射线能谱图表明CMS中的铜元素和锰元素是不均相价态，这一特性赋予CMS多种酶的催化功能。
图2.（a）Cu2O的扫描电镜图。（b）CMS的透射电镜图。（c）CMS的扫描电镜图。（d）CMS的高分辨电镜图。（e）和（f）CMS的能量色散x射线光谱图。（g）Cu2O和CMS的X射线衍射图。（h）Cu 2p和Mn 2p的高分辨X射线能谱图。
二
纳米酶的酶活表征何预防流感
通过动态光散射对PCMS的水合粒径、表面电势和稳定性进行表征，表明材料的稳定性（图3ab）。PCMS可以在酸性条件下有效地释放锰离子（图3c），因而具有磁共振成像的功能。实验验证了PCMS的类过氧化氢酶酶活，有效地分解过氧化氢产生氧气（图3d-3e），并进一步高效产生超氧阴离子（图3f-3h）、耗竭GSH（图3i）。
图3. （a）PCMS的水合粒径和表面电势。（b）CMS和PCMS的稳定性。（c）PCMS在不同pH条件下的释放。（d）溶氧仪测定PCMS催化过氧化氢产生的氧气。（e）硫酸钛试剂盒检测PCMS催化过氧化氢的效率。（f）TMB显色分析PCMS的类氧化酶酶活。（g）电子顺磁共振检测PCMS催化产生的超氧阴离子。（h）DPBF测定PCMS催化产生的超氧阴离子。（i）DTNB法测定PCMS消耗GSH的效率。
三
纳米材料的光热和成像性能
PCMS纳米酶不论是在808 nm还是1064 nm激光照射下，都有优异的光热升温效果（3a-3d），显示其良好的光热转化效率。PCMS在1064 nm照射下具有更深的穿透能力，能产生更优异的光热升温效果（图3e），光热转换效率η=56.7%（图3f），超过了很多纳米酶的光热转换效率。PCMS可以进行多模态成像，包括光热成像、光声成像和核磁共振成像（图3g-3i）。
图4. （a）不同浓度PCMS在1064 nm激光器照射后的升温曲线。（b）PCMS在1064 nm激光照射后循环升温曲线。（c）不同浓度PCMS在808 nm激光器照射后的升温曲线。（d）PCMS在808 nm激光照射后循环升温曲线。（e）PCMS在不同厚度阻挡下，808 nm和1064 nm激光照射后升温变化。（f）PCMS在1064 nm激光照射的光热转换效率。（g）PCMS在试管中1064 nm激光器照射下的光热成像。（h）PCMS在试管中1064 nm激光器照射下的光声成像。（i）PCMS在不同pH条件下的核磁共振成像。
四
PCMS抑制肿瘤细胞生长
PCMS可以有效地被肿瘤细胞摄取（图5a），有效的催化肿瘤细胞内过氧化氢产生氧气（图5b），并将肿瘤细胞内产生将氧气转化为活性氧，这个效果在激光照射后进一步加强（图5c）。细胞实验结果显示PCMS可以有效地抑制肿瘤细胞生长，在1064 nm激光照射下，抑制效果进一步加强（图3d-3g）。
图5. （a）肿瘤细胞摄取Cy5标记的PCMS。（b）PCMS处理后肿瘤细胞内氧气含量变化。（c）PCMS处理后肿瘤细胞内活性氧水平变化。（d）在中性条件下和（e）酸性条件下不同浓度PCMS处理后肿瘤细胞的存活比率。（f）流式细胞仪分析不同处理后肿瘤细胞凋亡比率。（g）死活细胞染色实验分析不同处理后肿瘤细胞死亡比率。
五
PCMS在小鼠体内的多模态成像
PCMS经尾静脉注射后，可以多模态成像检测纳米颗粒的分布与富集。光声成像和磁共振成像结果均表明纳米颗粒在注射24 h后可以有效地在肿瘤部位富集，在1064 nm激光器照射下进行光热成像（图6）。
图6. （a）和（b）PCMS小鼠尾静脉注射后光声成像。（c）和（d）PCMS小鼠尾静脉注射后核磁共振成像。（e）和（f）PCMS小鼠尾静脉注射后24 h，1064 nm激光照射的光热成像。
六
PCMS在小鼠体内的抗肿瘤生长效果
通过溶血实验、体重变化等分析验证了PCMS在小鼠体内具有较好的生物安全性（图7a-7c）。PCMS可以有效地抑制小鼠体内的肿瘤生长，在1064 nm激光照射下可以更有效地抑制肿瘤生长（图7d-7f），这个与细胞实验结果抑制。肿瘤组织的染色实验表明PCMS可以有效地诱导肿瘤组织凋亡和坏死（图7g-7h），并显示PCMS可以有效地消耗肿瘤部位的还原性物质GSH（图7i），可以放大细胞内氧化应激而诱导肿瘤坏死。
图7. （a）和（b）PCMS溶血试验。（c）小鼠治疗期间体重变化。（d）小鼠治疗期间肿瘤生长曲线。（e）治疗结束后小鼠的肿瘤照片。（f）小鼠肿瘤质量。（g）小鼠肿瘤的H&E染色。（h）小鼠肿瘤的KI67染色。（i）小鼠肿瘤部位的GSH免疫荧光。
总
总结与展望
本工作构建了一种多模态成像指导的纳米酶PCMS用于催化治疗肿瘤。体外实验结果表明PCMS在肿瘤微环境中不仅具有多酶活性（过氧化氢酶、氧化酶和谷胱甘肽氧化酶），还具有优异的光热转换效率。此外，PCMS还可以进行多模态成像（光热、光声和磁共振成像），实现纳米酶的诊疗一体化。动物实验表明PCMS在1064 nm激光照射下可以有效地抑制肿瘤生长，对正常组织没有明显的毒副作用，这一选择性作用与纳米酶在肿瘤微酸环境中的高催化活性相关。这项研究表明，通过酶级联反应高效产生活性氧和消耗胞内还原性物质，可以协同提高肿瘤的催化治疗功效。
相关研究成果以“Photothermal Enhanced and Tumor Microenvironment Responsive-Nanozyme for Amplified Cascade Enzyme Catalytic Therapy”为题发表在Advanced Healthcare Materials上。中国科学技术大学毕业生朱阳博士和浙江大学潘渊博博士为该文章的共同第一作者，刘扬中教授、程珺洁副研究员、田长麟教授和郑新威副研究员为共同通讯作者。
转自：“NANO学术”微信公众号
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