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東華大學史向陽教授/沈明武研究員團隊 AFM: 雙驅動納米馬達用于高效腫瘤光熱治療及治療后炎癥緩解

2025-03-17 來源：高分子科技

最近的研究中，可將外部能量或化學信號轉化為機械動能的自推進納米馬達因其在生物醫學應用中的巨大潛力而受到越來越多的關注。與傳統無運動特征的納米載體系統相比，納米馬達的運動能力使其可以主動穿透細胞膜進入細胞，并實現增強的腫瘤滲透。納米馬達可將激光的光能轉化為熱能，從而通過熱泳動驅動用于細胞內藥物遞送及組織穿透。考慮到金（Au）的光熱特性，不同形態的Au已通過共價結合或噴射涂層技術與納米載體結合以構建熱泳納米馬達。然而，在這些納米馬達中Au的尺寸大多數都大于10 nm，這不利于最大化Au的光熱轉化效率及納米醫學應用，并且尺寸較小的Au更易實現在納米馬達上的可控分布。最近，荷蘭埃因霍溫理工大學Jan van Hest教授課題組將聚乙二醇-b-聚（D，L-丙交酯）（PEG-PDLLA）共聚物自組裝，通過透析誘發形變制備了碗狀聚合物囊泡（bowl-shape Polymersomes），因其形貌類似口形紅細胞又可稱為Stomatocytes。各向異性的Stomatocytes自帶的不對稱流線型結構使其可在外部刺激的推動下進行定向運動，因而被作為納米馬達的基底平臺，進行了廣泛研究。其中，涂覆了Au的Stomatocytes（Au-Stomatocytes）可以利用Au的光熱特性，在激光照射下進行定向的熱泳動，并具有觸發光熱治療（photothermal therapy, PTT）的潛力。此外，Stomatocytes的內部空腔還可進一步用于負載藥物或功能化納米顆粒，從而擴展Stomatocytes的治療活性。

考慮到腫瘤的高效治療如化療、放療及PTT等總是伴隨著腫瘤細胞免疫原性死亡的發生，這將導致損傷相關分子模式（DAMPs）的釋放和抗腫瘤免疫的激活。然而，在PTT過程中對腫瘤部位進行局部激光照射引起的高溫會使大多數腫瘤細胞壞死，從而釋放過量的DAMPs、誘發炎癥反應、引發細胞因子風暴，使光照區域皮膚嚴重損傷并使腫瘤易復發轉移。因此，有必要設計一種智能納米藥物，可在PTT后緩解過度活化的免疫反應，從而在抗腫瘤免疫激活和炎癥反應可控性之間取得平衡。

為了最大限度地發揮Au-Stomatocytes在PTT中的優勢，東華大學史向陽教授/沈明武研究員團隊將具有多種類酶活性和抗炎能力的氧化鈰納米顆粒（CeO_2-x NPs）整合進Stomatocyte體系中，通過簡單的方法制備了一種表面修飾金納米顆粒（Au NPs）、內部負載CeO_2-x NPs、外圍進一步仿生偽裝癌細胞膜（cancer cell membranes，CM）的納米藥物，可作為雙驅動納米馬達用于運動增強的腫瘤PTT（圖1）。負載的CeO_2-x NPs不僅可以作為炎癥清除劑調控PTT后的炎性腫瘤微環境（tumor microenvironment, TME），還可以利用類酶活性在缺氧的TME中產生O₂，進一步增強PTT的效果。

圖1. Ce/Au-Stomatocytes@CM的合成及其用于體內抗腫瘤光熱治療示意圖。

研究團隊首先將PEG-PDLLA共聚物自組裝并誘導形變得到了Stomatocytes，隨后將通過沉淀法制備的CeO_2-x NPs包封在Stomatocytes內部，并通過原位還原在Ce-Stomatocytes表面緊密堆積一層Au NPs得到了Ce/Au-Stomatocytes。Cryo-TEM圖像證明了Stomatocytes的合成及CeO_2-x NPs、Au NPs的成功負載（圖2A-E）。接下來，在不同條件下分析了Ce/Au-Stomatocytes的類酶活性。結果表明Ce/Au-Stomatocytes在光熱后溫熱、微酸性的TME中，可以利用Ce的類酶活性，清除ROS、將·O₂^-轉化為H₂O₂、分解H₂O₂產生O₂（圖2F-L）。

圖2.（A-E）不同階段Stomatocytes的cryo-TEM圖；（F）Ce/Au-Stomatocytes的類酶活性作用機制；（G-I）不同條件下Ce/Au-Stomatocytes的類CAT酶活性；（J-L）不同條件下Ce/Au-Stomatocytes的類SOD酶活性。

隨后，考慮到負載的Au NPs具有光熱特性，研究團隊在不同條件下分析了Ce/Au-Stomatocytes的光熱升溫性能。在激光照射下，Ce/Au-Stomatocytes可以有效地將光能轉化為熱能，使分散液溫度升高，并表現出良好的光熱穩定性（圖3A-C）。接下來，研究團隊通過NTA跟蹤分析了Ce/Au-Stomatocytes在H₂O₂溶液中或在激光驅動下的運動性能。在激光照射下，Ce/Au-Stomatocytes可以進行與光源方向相反的定向運動（圖3D-E）。這可能是由于Stomatocytes的不對稱結構導致沉積的Au NPs沿Stomatocytes軸向不均勻排列，這使得激光照射時由Au NPs介導的等離子體產熱分布不均勻，從而產生溫度梯度，使Ce/Au-Stomatocytes進行負趨光性的定向運動。隨后，由于Ce的類CAT酶活性，Ce/Au-Stomatocytes在H₂O₂溶液中可依靠Ce在內部空腔中產生O₂，隨著O₂溢出驅動Stomatocytes進行非定向運動（圖3F-G）。在H₂O₂和激光共同存在時，Ce/Au-Stomatocytes恢復了逆向光源的定向運動，主要由激光主導（圖3H-I）。因此，當Ce/Au-Stomatocytes到達腫瘤部位后，可以在過表達H₂O₂的TME中進行O₂驅動的非定向自主運動，從而在一定程度上促進Ce/Au-Stomatocytes在腫瘤中的滲透；而在對腫瘤部位進行激光照射后，可使Ce/Au-Stomatocytes進行相對較快的定向運動，從而進一步增強其腫瘤滲透。

圖3.（A-C）Ce/Au-Stomatocytes的光熱性能；（D-I）Ce/Au-Stomatocytes在不同條件下的運動性能。

接下來，研究團隊將提取了4T1細胞的細胞膜包覆在Ce/Au-Stomatocytes表面獲得了Ce/Au-Stomatocytes@CM，通過cryo-TEM及SDS-PAGE證明了Ce/Au-Stomatocytes@CM的成功制備（圖4A-B）。Ce/Au-Stomatocytes@CM仍然表現出穩定的類CAT酶活性、類SOD酶活性和清除ROS的能力，為利用Ce/Au-Stomatocytes@CM在PTT后的TME中緩解乏氧及抑制炎癥提供了可能性（圖4C-E）。細胞吞噬實驗證明，H₂O₂及激光照射可以通過驅動機械運動幫助Ce/Au-Stomatocytes穿透細胞膜進入4T1細胞（圖4F）。而4T1細胞膜的包覆則使Ce/Au-Stomatocytes@CM在4T1細胞中的吞噬量顯著增高，表明CM可賦予Ce/Au-Stomatocytes對4T1細胞的同源靶向性（圖4G）。研究團隊接下來評估了Ce/Au-Stomatocytes@CM在激光照射下的直接癌細胞殺傷能力，結果表明Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser可實現最有效的癌細胞抑制，并通過PTT誘導顯著的癌細胞凋亡（圖4H-J）。

圖4.Ce/Au-Stomatocytes@CM的（A）cyro-TEM圖及（B）SDS-PAGE圖；（C-E）Ce/Au-Stomatocytes@CM在不同條件下的類酶活性；（F）不同Stomatocytes在4T1細胞中的吞噬情況；（G）Ce/Au-Stomatocytes@CM在不同細胞中的吞噬情況；經不同處理后4T1細胞的（H）細胞活力圖及（I-J）凋亡情況流式分析圖。

隨后，研究團隊分析了Ce/Au-Stomatocytes@CM在體外3D腫瘤細胞球及小鼠體內腫瘤中的滲透能力（圖5）。實驗結果表明，CM的包覆使Au-Stomatocytes@CM具有增強的腫瘤積累，而Ce的加入可通過驅動運動在一定程度上改善Ce/Au-Stomatocytes@CM的滲透性及腫瘤分布。進一步的激光照射使Ce/Au-Stomatocytes@CM 在細胞球及腫瘤中的滲透最強，表明激光觸發的定向機械運動可以幫助Stomatocytes在腫瘤中進一步擴散。這些結果進一步驗證了Ce/Au-Stomatocytes@CM的運動特性對其腫瘤滲透的正向影響。

圖5.不同情況下Stomatocytes在（A）3D腫瘤細胞球中的滲透情況及（B-E）小鼠體內的生物分布（I: Au-Stomatocytes, II: Au-Stomatocytes@CM, III: Ce/Au-Stomatocytes@CM, and IV: Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser）。

最后，研究團隊建立了小鼠體內4T1皮下瘤模型，用于研究Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser的體內腫瘤抑制效率。Ce/Au-Stomatocytes@CM可通過激光誘導的PTT顯著抑制腫瘤生長（圖6A-B）。治療后小鼠腫瘤凋亡率增加、乏氧指標（HIF-1α）表達下降，表明Ce的加入可通過緩解腫瘤部位的乏氧程度，增強PTT的治療效果（圖6C-D）。此外，治療后對各組腫瘤外側皮膚進行H&E切片發現，相較于PBS組，Au-Stomatocytes@CM + Laser組真皮層中腺體減少，而炎癥細胞浸潤明顯增加（圖6E中紅框區域）。相反，Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser組的皮膚切片中并未觀察到明顯的炎癥細胞浸潤。同時，Ce的加入使小鼠血清中促炎因子表達水平降低，表明Ce的加入緩解了PTT引起的炎癥反應（圖6F）。這可能是由于Ce的類酶活性使負載了Ce的Ce/Au-Stomatocytes@CM可以清除部分活性氧，從而在一定程度上抑制了腫瘤部位在PTT后的炎癥水平，這將有利于PTT 后皮膚創面的愈合。

圖6.（A）體內抗腫瘤治療時間線；（B）治療期間各組小鼠腫瘤體積變化；治療后各組小鼠（C）腫瘤細胞凋亡率及（D）HIF-1α表達水平；治療后各組（E）腫瘤外側皮膚的H&E 染色分析及（F）血清中細胞因子的表達情況。

總的來說，該研究設計的基于Stomatocytes的納米馬達具有多個優勢：1）表面沉積的Au NPs賦予了Stomatocytes光熱性能及運動特性，使其可以在激光照射下進行自主運動穿透腫瘤進行PTT；2）CeO_2-x NPs的類酶活性使Stomatocytes不僅可以在TME中產生O₂用于驅動運動、緩解腫瘤乏氧，還可以清除ROS以調控PTT后的炎癥水平；3）經CM仿生后的Ce/Au-Stomatocytes@CM可通過同源靶向聚集在腫瘤部位，在激光照射下穿透腫瘤進行PTT，同時調節炎癥反應緩解激光照射對表層皮膚的損傷。

以上研究成果以“Oxygen and Heat Dual-Driven Stomatocyte Nanomotors for Highly Efficient Inflammation-Relieved Breast Tumor Photothermal Therapy”為題，在線發表于國際著名期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202500113)。東華大學生物與醫學工程學院史向陽教授、沈明武研究員與荷蘭埃因霍溫理工大學Jan C.M. van Hest教授為共同通訊作者，東華大學博士生郭云琦為第一作者。該工作得到了國家自然科學基金區域創新發展聯合基金項目、上海市科委政府間國際合作項目及國家留學基金委創新人才培養計劃等的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500113

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（責任編輯：xu）

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