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西安交大陳鑫教授/張彥民教授課題組 Adv. Funct. Mater.: 基于智能復合水凝膠的腫瘤消除與組織再生一體化研究進展
2023-08-09  來源:高分子科技

  手術切除作為治療惡性黑色素瘤的主要策略,挽救了大量患者的生命。然而,手術不可避免地會導致皮膚和周圍組織的嚴重損傷。而且,傷口周圍的殘留腫瘤細胞進一步引起腫瘤復發和轉移,導致惡性黑色素瘤即使在手術后也具有較低的五年生存率。因此,除了手術治療之外,惡性黑色素瘤需要額外的治療以消除殘余腫瘤,同時促進皮膚組織的再生。


  腫瘤清除和組織再生分別依賴于腫瘤和正常細胞的某些生物學行為,而這些行為可能受到細胞內微環境的調控。在這些細胞中按需執行任務,從而操縱細胞微環境的納米材料將是實現綜合治療的一種有希望的方法。在各種細胞內微環境中,銅和一氧化氮(NO)密切參與腫瘤組織和健康組織的不同生理和病理過程,有望作為操縱的理想目標。因此,設計適當的納米材料來降低腫瘤細胞中異常高表達的銅,并在腫瘤細胞和正常細胞中按需釋放相應劑量的NO,將實現腫瘤消除和組織再生一體化治療,從而有效抑制惡性黑色素瘤進展。


  針對上述問題,西安交通大學化工學院陳鑫教授團隊與西安交通大學藥學院張彥民教授團隊構建了一種熱敏且可生物降解的水凝膠MBGP-Gel,旨在利用腫瘤細胞和健康細胞之間銅含量的顯著差異來調節各種生理微環境,用于腫瘤清除,轉移抑制和組織再生的綜合治療(圖1MBGP-Gel注射后在體溫下發生溶膠-凝膠轉化,并持續釋放MBGP納米顆粒。進入腫瘤細胞后,這些納米顆粒會螯合多余的銅以抑制腫瘤遷移。同時,銅被還原為亞銅,進一步催化過量H2O2GSNO分別產生活性氧ROS)和一氧化氮(NO)。ROSNO進一步反應產生高毒性的ONOO-,這將顯著損害腫瘤組織。相比之下,進入健康細胞的MBGP納米顆粒僅產生適量的NO以加速組織愈合。體外和體內結果表明,納米復合水凝膠可抑制惡性黑色素瘤的生長和轉移,促進皮膚再生,為各種腫瘤的術后治療提供了有前景的策略。 


1MBGP凝膠的合成和一體化治療機制示意圖


  充分利用腫瘤細胞中銅含量高于正常細胞的微環境特征,團隊研究了MBGP NPs在腫瘤細胞中的銅捕獲行為及其隨后的化學動力學激活。火焰原子吸收光譜法(FAAS)顯示,MSN-BTU與銅有很強的螯合作用,可以有效地掠奪銅,減少腫瘤細胞中銅的過表達,有效抑制銅介導的腫瘤轉移(2c)MSN-BTU納米顆粒可以通過螯合作用有效地將Cu2+還原為Cu+(2d-e), Cu+進一步催化H2O2(癌細胞中過量)產生ROS,并催化釋放的一氧化氮前體(GSNO)產生高濃度的毒性NO,希望通過雙重殺傷作用實現高選擇性的趨化動力學治療(2f-g)。不同濃度NO在生物醫學治療過程中可能有相反的作用。低濃度的NO有利于通過血管生成、消除感染和免疫調節促進組織再生。高濃度的NO對腫瘤細胞具有良好的抗腫瘤作用(2h)。更重要的是,ROS會進一步與附近釋放的NO反應產生高毒性的ONOO-。這些結果表明,MBGP NPs同時具有調控腫瘤細胞和正常細胞行為的作用。 


2. MBGP-Gel的銅依賴性功能。


  接下來,團隊深入研究了MBGP- Gel復合水凝膠在細胞水平上的治療機制。流式細胞術檢測B16F10細胞和HacaT細胞中ROSNOONOO的含量。如圖3所示,MBGP-Gel處理組腫瘤細胞內ROS水平顯著升高,間接證實了Cu+催化細胞內H2O2生成ROSB16F10細胞與MBGP-Gel孵養后,細胞內NO水平也顯著升高,表明在銅離子過表達的細胞內環境中NO有效釋放,而在HacaT細胞中只有低劑量的NO產生。此外,采用流式細胞術檢測細胞內ONOO -水平。為了進一步評價體外治療效果,采用MTT法檢測細胞毒性。以上數據證明MBGP-Gel組對B16F10細胞表現出高效的殺滅作用,而緩慢釋放的NO促進HacaT細胞的生長。 


3.MBGP-Gel在腫瘤治療和組織再生中的體外細胞選擇性


  隨后,團隊進一步利用荷瘤裸鼠模型考察了MBGP-Gel的體內治療效果。如圖4所示,通過MBGP-Gel治療3周后腫瘤大小的變化,提供了熱敏水凝膠復合載體經銅捕獲和銅依賴催化藥物治療的體內抗腫瘤效果的定量信息。除原發腫瘤外,轉移性腫瘤是另一個關鍵致死因素。治療3周后,取小鼠肺進行組織病理學和免疫組化分析。肺組織的H&E染色圖像提供了腫瘤轉移抑制的信息,MBGP-Gel處理的荷瘤小鼠肺內未見明顯的轉移和腫瘤侵襲,表明所設計的MBGP-Gel復合水凝膠在體內具有良好的抗轉移能力。 


4. MBGP-Gel的體內抗腫瘤特性


  為驗證術后腫瘤治療與創面愈合的綜合效果,團隊進一步構建了腫瘤不完全切除模型。術后立即將不同配方的復合水凝膠原位注射植入創面,跟蹤記錄腫瘤組織和皮膚創口的生長情況。如圖5所示,MBGP-Gel組腫瘤完全消融,說明MBGP-Gel顯著抑制腫瘤的再生長。在監測腫瘤復發的同時,也跟蹤傷口愈合的過程。MBGP-Gel可在15天內閉合創面,創面愈合達到95%(5e)。對腫瘤和皮膚組織進行組織學分析,MBGP-Gel可以釋放NO,從而表征NO促進創面愈合的功能。然后通過皮膚細胞生長標志物的定量分析來評價創面愈合的狀況(圖5f-5g)。綜上所述,MBGP-Gel組能有效殺滅殘留腫瘤細胞,抑制腫瘤復發,促進皮膚創面愈合。 


5. 腫瘤復發抑制及皮膚再生評價。


  在此工作中,作者創造性的提出了一種雙向調控細胞行為的治療機制,該綜合治療策略通過腫瘤細胞與健康細胞微環境的顯著差異,既實現了ROSNO通過亞銅催化協同治療破壞原發腫瘤,又通過銅掠奪控制腫瘤細胞內銅的濃度,抑制腫瘤轉移,更重要的是同步實現了NO促進皮膚再生的功能。這可能有助于理解和拓展智能納米材料在腫瘤術后殘余腫瘤切除和組織再生的綜合治療中的應用。


  相關成果以Integration of Tumor Elimination And Tissue Regeneration via Selective Manipulation of Physiological Microenvironments Based on Intelligent Nanocomposite Hydrogel for Postoperative Treatment of Malignant Melanoma為題發表在Advanced Functional Materials上。該研究工作由西安交通大學化工學院陳鑫教授團隊和西安交通大學藥學院張彥民教授團隊合作完成,化工學院博士生陳莉、藥學院助理教授楊天楓為該文章共同第一作者,陳鑫教授與張彥民教授為共同通訊作者。該論文得到了國家高層次人才特殊支持計劃、國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、西安交通大學青年拔尖人才支持計劃等項目的大力支持。同時感謝西安交通大學大型儀器設備共享實驗中心在分析測試方面的支持。


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202304394


  通訊作者簡介


  西安交通大學陳鑫教授:西安交通大學化工學院教授,國家級高層次青年人才,陜西省百人計劃學者,陜西省優秀留學歸國人員,英國皇家化學會2020新銳科學家,西安交通大學A類青年拔尖人才,中國生物醫學工程學會組織工程與再生醫學分會委員,中華口腔醫學會口腔生物醫學專業委員會委員,納米腫瘤學專委會青年委員。先后主持國家自然科學基金、省部級自然科學基金等十余項。主要從事智能醫用材料的研究,在Nature Biomedical Engineering, Science Translational Medicine, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Biomaterials等國際知名學術期刊上發表科研論文70余篇,受邀撰寫學術專著3章,申請/授權國家發明專利13項。目前擔任Chinese Chemical Letters、Pharmaceutics、Nano Biomedicine and Engineering等學術期刊編委。


  西安交通大學張彥民教授:西安交通大學藥學院教授,陜西省天然藥物研究與工程重點實驗室主任、西安交通大學血管藥物研究所所長等。陜西省杰出青年基金獲得者、入選教育部新世紀優秀人才、陜西省中青年科技創新領軍人才、西安交通大學A類青年拔尖人才等。擔任中國抗癌協會抗癌藥物專業委員會常務委員、中國藥理學會分析藥理專業委員會委員、陜西省藥學會理事等。擔任SCI期刊Journal of Pharmaceutical Analysis雜志常務副主編、Frontiers in Pharmacology、Frontiers in Oncology雜志副主編,Biosensors、Oncol Rep等期刊編委。主持國家自然科學基金項目、國家重大新藥創制專項等30余項;發表論文200篇;申請/授權國家發明專利32項;以第一完成人獲陜西省科學技術二等獎2項、獲陜西高等學校科學技術一等獎1項,以參與人獲國家技術發明二等獎等。

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(責任編輯:xu)
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