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湖南大学宋国胜教授Angew:智能纳米酶平台——利用类酶活性相关的比率型分子成像来预测纳米酶治疗效果

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湖南大学宋国胜教授开发了一种具有类氧化酶活性的基于锰的新型半导体聚合物纳米酶 (MSPN),它可以通过自身的比率型近红外荧光(NIRF)-光声(PA)双模成像方式来报告其在酸诱导的癌症治疗中的催化活性。

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背景介绍


纳米酶是一类具有类酶特性的纳米材料。与许多天然酶相比,纳米酶因其在稳定性、催化活性和成本等方面的优异特性而受到广泛关注。自2007年关于氧化铁纳米粒子具有类过氧化物酶特性的开创性报道以来,各种具有类酶特性(例如,氧化酶、超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶、过氧化氢酶等)的纳米酶已经被开发出来。近年来,纳米酶(如氧化铁、钯、掺氮多孔碳纳米球等)也逐渐被用于肿瘤催化治疗。此外,研究者们还建立了大量策略来提高纳米酶在体内催化治疗肿瘤的效果,这有可能为癌症治疗提供新的技术。

众所周知,纳米酶的治疗效果在很大程度上取决于其催化活性,同时纳米酶周围的生物环境对其催化活性起着至关重要的作用。值得注意的是,在催化治疗肿瘤过程中,高性能纳米酶往往会带来显著的治疗效果,但也可能增加正常组织损伤的风险。因此,开发能够实时准确报告纳米酶催化活性的评估方法对纳米酶具有重要意义,因为它能够通过对纳米酶活性的原位评估来预测其活体治疗效果从而有利于实现精准给药,进而为个性化治。但到目前为止,纳米酶活性的监测主要是通过额外的探针作为指示剂(例如,2', 7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯(DCFH-DA),氢乙啶(HE)等)。但是由于体内极其复杂的生物环境,那些体外测试将无法很好地评估纳米酶在肿瘤微环境中的性能。

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研究出发点


基于以上问题,设想能否构建一个智能纳米酶平台,通过与分子成像方法结合来实现对肿瘤治疗中纳米酶活性的体内实时监控。目前监测癌症治疗的策略主要包括荧光成像、光声(PA)成像、磁共振成像(MRI)、或化学发光等。然而,大多数成像策略基于单信号输出,会受到生物背景的影响,在活体成像过程中可能会造成伪像。值得注意的是,比率法可以克服这些问题,大大提高分子成像的准确性和灵敏度。众所周知,近红外荧光(NIRF)成像具有灵敏度高、响应快的特点,而PA成像在体内具有较高的成像深度和空间分辨率。因此,二者结合的双模成像探针将有助于实现对体内纳米酶催化活性的准确监测,这可能为实现精准化和个体化的癌症治疗提供了思路。

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MSPN的合成与表征


智能纳米酶MSPN用TEM,DLS,XPS,UV, FL等做了表征,文章里有介绍,这里不多做赘述。表征手段也是比较常规的,主要说明了MSPN的合成过程以及基本组成(Fig. 1)
 

MSPN在肿瘤治疗过程中监测类酶活性进而预测治疗效果:
这部分就是论文的重点,说明智能纳米酶MSPN一方面确实可以实现酸激活的肿瘤治疗,更重要的是,MSPN可以通过比率型的光声与荧光信号变化来监测纳米酶在肿瘤内活性的发挥。并且我们用无纳米酶的SPN做了对照实验,来确认我们成像信号的变化是来自于纳米酶的活性。其他部分是在溶液,细胞水平所做的相关实验,文章里有介绍,这里也不做过多赘述。

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总结与展望


小结一下,我们开发了一种基于锰半导体聚合物的智能纳米酶(MSPN),它不仅可以产生类氧化酶活性用于被酸性肿瘤微环境激活的肿瘤的特异性癌症治疗,还可以通过同时输出比例型NIRF-PA信号自报告催化活性。更重要的是,比率型NIRF-PA信号与MPSN的类氧化酶活性有良好的相关性。因此,我们在本研究中报道的用于癌症治疗过程中纳米酶活性实时成像的纳米平台可能为评估其治疗效果和指导个性化治疗提供一种简便的策略,有望最大限度地提高癌症治疗的效果和尽量减少不良副作用。

原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202110427




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