共價有機骨架（Covalent Organic Framework，COF）是目前受到眾多關注的一類結晶性有機多孔材料，在氣體儲存，氣體分離、催化、傳感器以及光電響應器件等領域都有重要的應用前景。然而，相比于上述領域，目前COF在生物醫藥領域的應用則較為稀少。事實上，COF因其多孔性和卓越的結構穩定性，是負載小分子藥物或診斷劑的良好載體，但是如何迅速釋放COF中負載的小分子依然是目前尚未解決的難題。另一方面，對于光動力治療（PDT）來說，由于單線態氧的擴散距離較短（約20 nm），因此光敏劑在細胞內的釋放和擴散將嚴重影響PDT療效。
針對上述的問題，南京大學蔣錫群教授團隊制備了一種光激活乏氧敏感的串聯響應藥物傳遞納米球形COF。研究人員構建了含有偶氮鍵骨架結構的COF，并將耗氧型光敏劑（Ce6）和乏氧激活型抗癌前藥替拉扎明（TPZ）共同負載在COF中。當這種響應性COF（TA-COF-P@CT）進入到乏氧的腫瘤中時，COF偶氮鍵骨架結構會在瘤內還原酶的作用下斷裂，放出負載的藥物。進一步，當體系受到近紅外光（NIR）的照射，Ce6可以通過PDT消耗細胞內的氧氣產生活性氧（ROS）殺死腫瘤細胞。隨著氧氣的消耗，腫瘤的微環境變得更加乏氧，這種加劇的乏氧可以進一步刺激腫瘤細胞，生成大量的還原性偶氮酶，催化COF中的偶氮鍵斷裂，進而加速釋放Ce6和TPZ。同時，乏氧激活型TPZ在加劇的乏氧環境下加速分解成活性自由基，且乏氧下的藥物毒性得到進一步增強，與ROS共同協作，破壞并殺死腫瘤細胞。透射電子顯微鏡和動態光散射結果均證實TA-COF-P@CT可以與Na2S2O4（一種仿生型偶氮還原酶）反應并導致解離。共聚焦顯微鏡和細胞存活實驗證實了TA-COF-P@CT在光照刺激下，可以加速釋放Ce6和TPZ并具有增強的細胞毒性。最后，該團隊在乳腺癌移植小鼠模型中對TA-COF-P@CT進行了活體熒光成像和離體器官熒光分析，證實了TA-COF-P@CT可以在腫瘤部位有效富集。腫瘤生長抑制實驗進一步證實了TA-COF-P@CT具有顯著的抑癌效果，且具有良好的生物安全性。綜上所述，該研究利用COF的多孔性和乏氧響應性，構建了一個乏氧串聯響應的可進行PDT和化療協同治療的串聯型藥物體系，為COF材料在生物醫學領域的應用提供了新思路。
圖 1. 光激活敏感的串聯響應藥物傳遞納米COF的構建及作用機理示意圖
圖2. （a）和（b）TA-COF-P@CT在光照前后的共聚焦細胞圖像及其半定量熒光分析。（c）和（d）TA-COF-P@CT 光照后在細胞內產生ROS并誘導乏氧微環境。（e）TA-COF-P@CT 光照后細胞內偶氮還原酶水平上升。
圖3. （a）和（b）TA-COF-P@CT在腫瘤區域的富集；（c）腫瘤生長曲線；（d）和（e）治療14天后各組腫瘤的重量及照片。
相關研究成果以“Light-Activated Hypoxia-Sensitive Covalent Organic Framework for Tandem-Responsive Drug Delivery”為題，近期發表在Nano Letters（DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00488）上。該文章第一作者為南京大學博士生葛雷，通訊作者為蔣錫群教授。論文得到了科技部重點研發項目和國家自然科學基金等項目的支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00488
