南京师范大学毛春/万密密研究团队：还原型谷胱甘肽诱导的趋化纳米马达通过铁死亡策略治疗癌症
癌细胞中过量活性氧（ROS）的存在使得针对肿瘤的特异性治疗——铁死亡治疗成为可能。然而，细胞内过表达的还原型谷胱甘肽（GSH）成为阻碍铁死亡治疗的重要因素。南京师范大学毛春教授和万密密副教授研究团队提出一种GSH诱导的趋化性纳米马达治疗体系，通过铁基MOF表面修饰的GSH分解酶与GSH之间的催化反应使得纳米马达体系能够趋向高浓度GSH运动，从而在癌细胞中富集，并通过MOF中的Fe3+与所负载小分子治疗剂Erastin协同耗竭细胞内GSH，诱导癌细胞的铁死亡。细胞与动物实验结果显示，该纳米马达具有良好的实体瘤富集、渗透及治疗效果。
铁死亡是近年提出的一种调节性细胞死亡方式，主要依赖于细胞内铁和脂质活性氧积累所引起的细胞死亡。癌细胞旺盛的代谢过程导致了ROS的积累，当ROS含量超出细胞自身抵御氧化的能力时便会发生氧化应激过程，从而对细胞造成损害。近年来，一系列基于铁死亡过程的纳米治疗剂被开发。通过抑制胞内抗氧化程序（如耗竭还原型谷胱甘肽(GSH)，或抑制抗氧化酶GPX-4活性等），促进癌细胞的氧化应激过程，增加脂质活性氧的堆积，可有效诱导癌细胞的铁死亡过程。然而，传统纳米治疗剂较弱的实体瘤渗透能力与单一的作用途径使针对肿瘤的铁死亡治疗效果尚有可提升的空间。因此，开发一种新的铁死亡诱导纳米治疗剂，完成实体肿瘤的深层渗透与高效治疗，具有重要意义。
近日，南京师范大学毛春教授和万密密副教授等提出一种基于趋化性纳米马达的铁死亡诱导体系（PMG NMs），以实现实体肿瘤的富集、渗透与治疗。该纳米马达使用铁基金属有机框架材料为基体，在表面不对称修饰GSH分解酶GGT与亲水性聚合物分子链。基于酶分子对底物的催化反应，GGT在底物GSH梯度的诱导下能够趋于高浓度GSH方向运动，这赋予了该纳米马达类似细菌趋向食物般的趋化性行为。如图1所示，在肿瘤处富集后，该纳米马达能够依靠铁基MOF的芬顿反应产生大量ROS，并通过GGT消耗胞内GSH。在进一步负载铁死亡诱导剂Erastin后，该纳米马达能够通过抑制GSH合成、增强GSH消耗并促进ROS产生等多途径高效诱导肿瘤细胞铁死亡。
图1 GSH诱导的趋化性纳米马达的合成及相关的癌症治疗机制
研究人员在Y型微流通道中（图2a）构建了GSH浓度梯度，研究不同结构的趋化性纳米马达在通道内的运动状态。运动轨迹显示亲水性聚合物链不对称修饰的PMG NMs对比无聚合物修饰的MG NMs具有更强的定向运动能力（图2b,c），这是因为PMG NMs的不对称结构使其具有更短的平移弛豫时间（图2d）。此外，Y型微流通道内不同区域与不同底物浓度的变化对纳米马达速度的影响反映了其对GSH的浓度依赖性（图2e-i），PMG NMs对比MG NMs更为集中的转向角分布进一步体现了构效关系对纳米马达定向运动能力的影响（图2j,k）。
图2 (a) Y型微流通道示意图(空白琼脂糖凝胶和GSH琼脂糖凝胶分别置于Ⅱ室和Ⅲ室); (b,c) MG NMs和PMG NMs在Y-型微流通道内的运动轨迹;(d) MG NMs 和 PMG NMs的弛豫时间; (e,f) MG NMs和PMG NMs在区域1内的速度分布；(g,h) MG NMs和PMG NMs在区域2内的速度分布；(i) MG NMs和PMG NMs在区域2内的平均速度随底物浓度的变化；(j,k) MG NMs和PMG NMs的转向角分布
研究人员使用多细胞球模型评估该类纳米马达的渗透能力，如图3a,b所示，PMG NMs的渗透深度可达到73.79 μm以上。此外，该纳米马达在尾静脉注射24小时后能够在实体瘤模型中高效富集，递送效率为非马达组递送效率的9.6倍（图3c,d）。组织切片的荧光成像结果表明该纳米马达在肿瘤中广泛分布，表明其对比被动运输的非马达组具有更强的实体瘤渗透能力（图3e,f）。
图3 (a)多细胞球经不同样品处理后的CLSM扫描成像(比例尺：100 μm); (b)多细胞球CLSM 图像的荧光强度分析; 尾静脉注射24小时后小鼠肿瘤的荧光成像(c)和相应的荧光强度分析(d); 肿瘤组织切片的荧光图像(比例尺：2 mm) (e)和相应的荧光强度分析(f)
PMG NMs能够在GSH存在下持续降解释放Fe2+并消耗GSH（图4a,b）。研究人员使用该纳米马达负载铁死亡诱导剂Erastin，得到PMG@E NMs，探索该治疗体系基于铁死亡的癌症治疗效果。MCF-7细胞活性的变化反应了其显著的疗效（图4c）。随后，研究人员在细胞环境中验证了该治疗策略的可行性。PMG@E NMs能够有效耗竭细胞内GSH，并降低GPX-4表达，削弱肿瘤细胞的抗氧化机制（图4d,f）。ROS含量的增加以及线粒体网络形态的变化进一步表明纳米马达高效的铁死亡诱导效果（图4g-i）。经PMG NMs和PMG@E NMs处理后，脂质过氧化产物丙二醛（MDA）在24小时内的显著增加表明了该纳米马达在负载Erastin前后均具有可靠的肿瘤细胞铁死亡诱导效果(图4j)。
图4 (a)PMG NMs在GSH溶液中产生的Fe2+浓度和GSH浓度的变化; (b)PMG NMs在不同浓度GSH溶液中的粒径变化；(c)不同样品处理后的MCF-7细胞活性；(d)PMG@E NMs的抗癌机制示意图；(e)不同样品处理后肿瘤细胞中的GSH含量；(f)不同样品处理后肿瘤细胞中GPX-4的CLSM图像（比例尺：20 μm）；(g)不同样品处理后肿瘤细胞ROS和线粒体的CLSM图像（比例尺：20 μm）；(h)线粒体形态分析结果；(i,j)不同样品处理不同时间后的ROS和MDA含量变化
作者首次合成了一种GSH诱导的趋化性纳米马达，该类纳米马达在 GSH 溶液下的增强扩散赋予它们对高浓度 GSH 的趋化行为。亲水聚合物链的不对称修饰赋予PMG NMs尾状结构，有利于稳定GSH诱导的纳米马达的运动方向，实现增强的定向运动。当负载Erastin药物时，PMG@E NMs能抑制GSH的合成，并持续消耗GSH，有效诱导肿瘤细胞的铁死亡。研究人员通过体内外实验证实了以上结论，为纳米马达在肿瘤治疗中的应用提供了新的思路。论文第一作者为南京师范大学硕士研究生刘智勇，共同第一作者为南京师范大学博士生李婷，通讯作者为万密密副教授。
详见：Zhiyong Liu, Ting Li, NanLi, Yujing Wang, Lin Chen, Xueting Tang, Mimi Wan*, Chun Mao. GSH-induced chemotaxis nanomotors for cancer treatment by ferroptosis strategy. Sci. China Chem., 2022, http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11426-021-1208-6
【扩展阅读】
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通讯作者简介
万密密，南京师范大学化学与材料科学学院副教授，硕士生导师。2015年毕业于南京大学，获得博士学位。主要从事多孔材料（介孔材料）的合成、生物医用材料、生物医用微纳米马达的研究，在国际权威期刊发表第一/通讯作者论文40余篇，包括Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等。