2019年1月16日，同濟(jì)大學(xué)王啟剛教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表題為“Cascade enzymes within self-assembled hybrid nanogel mimicked neutrophil lysosomes forsinglet oxygen elevated cancer therapy”，設(shè)計(jì)了一種納米凝膠，通過(guò)表面磷酸酶觸發(fā)了鐵氧化物納米粒子周圍寡肽的自組裝，以模擬產(chǎn)生的中性粒細(xì)胞溶酶體。超氧化物歧化酶(SOD)和氯過(guò)氧化物酶(CPO)在生物激發(fā)納米凝膠中的級(jí)聯(lián)反應(yīng)可以將腫瘤組織中的活性氧轉(zhuǎn)化為次氯酸(HClO)和單線態(tài)氧（¹O₂），可以治療沒(méi)有外部能量激活的腫瘤。

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本研究中使用的肝癌PDX小鼠模型由南模生物提供。

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活性氧(reactive oxygen specie, ROS)是分子氧被單電子還原后生成的化學(xué)性質(zhì)活潑的氧代謝產(chǎn)物及其衍生物的總稱, 包括羥基自由基(·OH)、超氧陰離子(O₂^-·)、單線態(tài)氧(¹O₂)和過(guò)氧化氫(H₂O₂)等。作為細(xì)胞代謝中不可避免的產(chǎn)物, 早前ROS一直被認(rèn)為具有致DNA損傷和致癌效應(yīng), 即與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)ROS也能夠通過(guò)介導(dǎo)多種信號(hào)通路以促進(jìn)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死以及自噬性細(xì)胞死亡等方式發(fā)揮抗腫瘤作用。因此, 可以通過(guò)調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞ROS水平使其突破磷脂過(guò)氧化、DNA損傷以及蛋白質(zhì)氧化的臨界值, 從而引起腫瘤細(xì)胞的死亡。

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中性粒細(xì)胞作為向腫瘤組織遷移的第一道天然免疫細(xì)胞，可以立即殺死異常細(xì)胞，激活長(zhǎng)期特異性的適應(yīng)性免疫反應(yīng)。因此，酶介導(dǎo)中性粒細(xì)胞的活性氧(ROS)升高是一種很有前途的腫瘤免疫治療策略。

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隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多納米材料可模擬天然抗氧化酶或促氧化劑的活性而被用于調(diào)控各種細(xì)胞內(nèi)的 ROS 水平。

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在這項(xiàng)研究中，研究人員通過(guò)以模擬中性粒細(xì)胞溶酶體的形式，將超分子納米凝膠結(jié)構(gòu)中的級(jí)聯(lián)超氧化物歧化酶(SOD)和CPO作為模擬中性粒細(xì)胞溶酶體，將腫瘤微環(huán)境轉(zhuǎn)化為有相對(duì)較高水平的ROS，從而構(gòu)建出多功能SOD/CPO負(fù)載納米凝膠體系(SCNG)用于腫瘤治療。

圖1.??SCNG系統(tǒng)及EDT機(jī)制。a）采用電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)技術(shù)，定性檢測(cè)和驗(yàn)證SCNGs中級(jí)聯(lián)SOD/CPO通過(guò)SOD將O₂O₂催化成H₂O₂，獲得的H₂O₂和內(nèi)源H₂O₂通過(guò)?CPO最終轉(zhuǎn)化為¹O₂。 b）?SCNG的制備與作用過(guò)程。 研究人員提出一個(gè)假設(shè)：酶動(dòng)態(tài)療法（enzyme dynamic therapy, EDT），它充分利用腫瘤區(qū)域的酶促反應(yīng)，可以可控地產(chǎn)生¹O₂來(lái)治療癌癥。

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SCNG系統(tǒng)中超分子水凝膠基質(zhì)可通過(guò)其蛋白質(zhì)樣結(jié)構(gòu)的非共價(jià)固定和保護(hù)來(lái)減輕酶蛋白質(zhì)的降解，確保高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和酶促活性以進(jìn)行有效催化?；旌霞{米凝膠中的級(jí)聯(lián)SOD/CPO則賦予SCNGs優(yōu)異的ROS敏感性和顯著促進(jìn)腫瘤細(xì)胞氧化應(yīng)激的能力。CPO可以將H₂O₂轉(zhuǎn)化為腫瘤細(xì)胞中的¹O₂，而SOD可以消耗內(nèi)源性O(shè)₂O₂以增加內(nèi)源性H₂O₂水平，以供給CPO或殺死腫瘤細(xì)胞。

體外SCNGs對(duì)腫瘤細(xì)胞的促凋亡效果

對(duì)HepG2細(xì)胞的體外結(jié)果表明，SOD和CPO在SCNG中的級(jí)聯(lián)反應(yīng)可以極大地增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)ROS活性，從而誘導(dǎo)大劑量的細(xì)胞毒性。而對(duì)正常細(xì)胞（HL-7702）的毒性作用可忽略不計(jì)。

圖2.??EDT誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。a）用γH2AX作為DNA損傷的Marker，紅色熒光表明SCNGs處理后¹O₂引起的HepG2細(xì)胞DNA損傷。b）中性彗星分析法檢測(cè)不同處理組HepG2細(xì)胞中細(xì)胞損傷情況。c) PI染色FACS分析SCNGs處理對(duì)細(xì)胞周期的影響。

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體內(nèi)SCNGs對(duì)實(shí)體瘤的抑制效果

在HepG2細(xì)胞裸鼠荷瘤模型和HCC PDX小鼠模型上的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性SCNGs可以顯著抑制腫瘤增殖并增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞/組織的凋亡。使用熒光探針（DCFH-DA、SOSG和APF）進(jìn)一步分析組織病理學(xué)，結(jié)果表明SCNGs可以有效地上調(diào)ROS和¹O₂水平，以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性和有效的EDT。

圖3.??HepG2荷瘤小鼠模型中EDT的治療作用。a）通過(guò)靜脈注射SCNGs實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組荷瘤小鼠第0、2、6、14天的照片。 劑量：PBS（100μl），NG（100μl，5mg/ml），SCNG（100μl，5 mg/ml）。 14天內(nèi)SCNGs實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組小鼠的相對(duì)腫瘤體積（b）和體重（c）變化曲線。d）處理14天后腫瘤組織的組織病理學(xué)分析（H＆E染色，TUNEL和KI-67測(cè)定）。e) 處理14天后，對(duì)每組小鼠的主要器官進(jìn)行H＆E染色。

圖4.??HCC PDX小鼠模型上的體內(nèi)EDT治療作用。每組小鼠的相對(duì)腫瘤體積（a），體重（b）變化曲線和相應(yīng)的存活百分比（c）。 劑量：PBS（100μl），NG和SCNG（100μl，5 mg/ml）。 d）?HCC PDX腫瘤組織的組織病理學(xué)分析：ROS，¹O₂，HClO，H＆E和普魯士藍(lán)染色。

南模生物自主構(gòu)建的60種肝癌PDX模型，成功復(fù)制了病人腫瘤的異質(zhì)性，保留了原發(fā)瘤的表型特征，為珍貴腫瘤樣本的保存和傳代提供了載體。該模型能夠讓您在不同的臨床背景下為藥物療效及分析作出快速測(cè)試，為新藥開(kāi)發(fā)和針對(duì)病人個(gè)性化治療靶向制劑的預(yù)測(cè)提供可靠工具。

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