化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療(Chemodynamic Therapy, CDT)是利用Fe基等功能納米粒子在腫瘤微環(huán)境(TME)酸性和過氧化氫等條件下，原位引發(fā)腫瘤組織或腫瘤細(xì)胞內(nèi)芬頓或類芬頓反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡的一種治療方式。不過依賴單一鐵基材料的CDT往往受限于TME的弱酸性和低含量的H2O2，其治療效果并不理想。而氣體治療(Gas Therapy, GT)是近年來興起的基于H2S、NO、CO等特異性氣體信號(hào)分子來實(shí)施對(duì)腫瘤細(xì)胞高效抑制的一種治療模式，受到了研究者極大關(guān)注。
近日，中科院上海硅酸鹽研究所陳航榕研究團(tuán)隊(duì)與同濟(jì)大學(xué)羅宇博士等人采用簡(jiǎn)單一步水熱法合成了具有高分散和穩(wěn)定性的Fe1-xS-PVP納米顆粒，其在808nm激光照射下呈現(xiàn)優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)化效率(24%)，能有效促進(jìn)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生更多·OH。更重要的是在腫瘤弱酸性環(huán)境中(pH6.5)，F(xiàn)e1-xS-PVP納米顆粒通過解離S2-并結(jié)合H+，能原位生成H2S氣體。研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的H2S能有效抑制細(xì)胞線粒體中細(xì)胞色素C氧化酶(COX IV)的表達(dá)。COX IV是線粒體內(nèi)膜上電子轉(zhuǎn)運(yùn)鏈末端金屬膜酶，是細(xì)胞有氧呼吸和ATP產(chǎn)生的重要組成部分。體內(nèi)/外實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種利用光熱促進(jìn)芬頓過程并聯(lián)合H2S介導(dǎo)的氣體治療具有良好的抗腫瘤效果。相關(guān)研究工作以“Photothermo-Promoted Nanocatalysis Combined with H2S-Mediated Respiration Inhibition for Efficient Cancer Therapy” 為題發(fā)表在Advanced Functional Materials。本文第一作者楊澤斌為同濟(jì)大學(xué)化學(xué)院在硅酸鹽所的聯(lián)合培養(yǎng)博士生，通訊作者為同濟(jì)大學(xué)化學(xué)院助理教授羅宇和中科院上海硅酸鹽研究所陳航榕研究員。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(32030061, 51772316)、上海市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(19JC1415600)、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作與交流重點(diǎn)項(xiàng)目(81720108023)和高性能陶瓷與超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目(SKL201908SIC)的資助。采用一步水熱法制備得到Fe1-xS-PVP NPs。通過TEM表征Fe1-xS-PVP NPs約為20-30nm，TEM元素mapping顯示材料主要元素成分為Fe、S、O；XRD表明Fe1-xS-PVP NPs主要相成分為FeS和Fe3S4；XPS分析了Fe1-xS-PVP NPs中Fe、S元素價(jià)態(tài)，其中Fe元素中Fe2+:Fe3+為2:3。圖1 Fe1-xS-PVP NPs的組成和結(jié)構(gòu)表征體外實(shí)驗(yàn)表明Fe1-xS-PVP NPs具有優(yōu)異的光熱性能，并能與H2O2作用發(fā)生芬頓反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性·OH，光熱可進(jìn)一步增強(qiáng)芬頓反應(yīng)。Fe1-xS-PVP NPs在弱酸性環(huán)境中能夠生成H2S氣體，H2S氣體產(chǎn)生量和材料濃度呈正相關(guān)。細(xì)胞層面毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光熱作用能進(jìn)一步促進(jìn)Fe1-xS-PVP NPs在弱酸性和過氧化氫存在下對(duì)腫瘤細(xì)胞的毒性。為了驗(yàn)證H2S的作用機(jī)制，研究人員首先證明了腫瘤細(xì)胞中H2S氣體的產(chǎn)生，隨后通過蛋白質(zhì)印跡法證實(shí)了H2S氣體能下調(diào)COX IV的表達(dá)；ATP含量的減少進(jìn)一步證明H2S氣體能夠影響細(xì)胞供能，抑制細(xì)胞的呼吸作用。圖3 Fe1-xS-PVP NPs在細(xì)胞層面的表征圖4 Fe1-xS-PVP NPs在活體層面的表征活體腫瘤組織切片免疫熒光染色分析，進(jìn)一步證實(shí)了H2S能抑制COX IV的表達(dá)。小動(dòng)物腫瘤部位光聲成像發(fā)現(xiàn)腫瘤部位在6h時(shí)血氧飽和度（組織氧含量）最低，證實(shí)H2S氣體的生成有效降低了細(xì)胞供能。本工作通過簡(jiǎn)單組分Fe1-xS實(shí)現(xiàn)了近紅外光熱增強(qiáng)CDT并協(xié)同H2S介導(dǎo)的氣體治療。腫瘤區(qū)域原位產(chǎn)生的H2S能夠有效下調(diào)COX IV表達(dá)，從而進(jìn)一步抑制細(xì)胞呼吸和ATP的產(chǎn)生。這種通過簡(jiǎn)便化學(xué)合成構(gòu)建的基于簡(jiǎn)單組成的納米制劑展示了針對(duì)腫瘤實(shí)施特異性、多模式聯(lián)合治療策略的良好材料支撐與臨床轉(zhuǎn)化潛力。Yang Z, Luo Y, Hu Y, et al. Photothermo‐Promoted Nanocatalysis Combined with H2S‐Mediated Respiration Inhibition for Efficient Cancer Therapy[J]. Advanced Functional Materials, 2020: 2007991.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007991
