基于金属-有机超分子笼的微环境响应性纳米药物共递送双气体用于治疗动脉粥样硬化的研究

      近日，中山大学孙逸仙纪念医院放射科沈君主任团队在Small（IF = 13.3，Top期刊）上发表最新研究成果“Codelivery of Dual Gases with Metal-Organic Supramolecular Cage-Based Microenvironment-Responsive Nanomedicine for Atherosclerosis Therapy”。该研究利用钌基金属有机超分子笼（MOC-68）装载不稳定的硫化氢（H₂S）气体供体二烯丙基三硫化物（DATS），将其负载在介孔MnO₂中，通过进一步对其PEG修饰合成得到水溶性纳米药物DATS⊂MOC-68@MnO₂@PEG（DMM）。研究证明纳米药物DMM可以长时间、稳定装载易挥发气体供体DATS，并实现在动脉粥样硬化（AS）微环境中响应性释放H₂S、O₂和Mn²⁺，通过释放的气体分子H₂S、O₂调节斑块内免疫微环境进而实现AS治疗。同时缓慢解离出的Mn²⁺使AS治疗效果可以通过磁共振成像（MRI）进行实时监测，并能延长成像时间窗口，且具备良好的生物相容性和生物安全性。本研究是沈君主任团队利用纳米载体递送气体分子在AS治疗领域的首篇高水平SCI文章，DMM的成功开发为气体免疫疗法结合MR成像功能的AS诊疗一体化平台构建提供实验依据，为纳米医学在AS疾病的应用提供新方法、新思路。

      动脉粥样硬化易损斑块持续进展会诱发致死性缺血性心、脑血管疾病等恶性临床事件。易损斑块发病机制及病理构成复杂且再发率高，口服抗凝、抗血脂类药物、介入及手术治疗均有各自局限性，难以作为安全、高效的治疗方法用于所有AS患者。因此，有必要研发出一种适用于全部AS患者的生物安全性高、治疗效果优异的治疗方式。适量外源性H₂S是一种安全有效的缓解AS进展的治疗剂，它通过抑制巨噬细胞和泡沫细胞中NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）和半胱氨酸蛋白酶-1（caspase-1）的激活，阻断白介素-1β（IL-1β）的成熟和分泌。然而，DATS、NaHS和其他常用的快速外源H₂S供体具有较差的气体释放可控性。血液中快速和过量的H₂S积累不仅会产生毒性作用并激活炎症，还会导致AS斑块部位的H₂S浓度降低，从而影响治疗效果。此外，氧化应激和缺氧诱导的缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）在易损斑块内的过度表达可导致炎症细胞浸润增加，从而降低H₂S的治疗效果。因此，最大限度地提高H₂S治疗效果的方法是实现AS内原位释放，以抑制炎症细胞浸润，同时降低氧化应激和斑块内的缺氧微环境。

       基于上述，该研究开发了一种安全、具备微环境响应性及MR可视化功能的新型AS纳米治疗药物。利用具备酸性响应功能的MOC-68装载快速H₂S供体DATS，并将其整体封包在介孔MnO₂颗粒中进行二次保护，防止DATS血液循环中清除降解，靶向ROS聚集的AS内，通过响应性释放的H₂S及O₂通过抑制免疫细胞炎症通路NLRP3/IL-1β的激活及改善乏氧环境双重抑制AS斑块内炎症浸润，缓解AS进展，利用“类芬顿”反应解离Mn²⁺对治疗过程及疗效进行MRI实时影像监测。

图1. AS诊疗一体化研究示意图

     本研究成功构建基于介孔MnO₂的负载DATS的金属有机超分子笼MOC-68的AS纳米药物DMM（图2）。研究发现DMM可以长久、高效装载理化性质不稳定的外源性H₂S气体供体DATS，并通过靶向AS斑块微环境响应性释放H₂S及O₂，释放的H₂S有效抑制了斑块内巨噬细胞和泡沫细胞中NLRP3炎性小体的表达，并进抑制NLRP3炎性小体下游的caspase1形成，进一步阻止IL-1β的分泌，进而减轻细胞内炎症反应。与此同时，通过降低巨噬细胞内NLRP3炎症小体表达浓度，抑制巨噬细胞迁移及吞噬ox-LDL诱导的泡沫化过程，缓解AS进展。在斑块内微环境中发生“类芬顿”反应释放的O₂通过抑制乏氧蛋白HIF-1α的表达协同抑制M1型巨噬细胞极化及NLRP3/IL-1β通路激活诱导的炎性反应（图3）。在ApoE⁻/⁻小鼠模型中，DMM不仅可以通过改善炎症浸润及乏氧环境减轻斑块负荷，同时解离出的Mn²⁺使AS治疗效果可以通过MRI实时监测，并且能通过微环境响应性缓释延长MR成像窗口，并具备良好的生物相容性与安全性（图4）。

图2. 基于MOC-68的纳米材料DMM的表征及主客体研究

图3. 纳米材料DMM在体外治疗效果

图4. MR成像评估斑块微环境响应及活体治疗效果

      目前AS领域纳米材料的研究绝大多数都是围绕对AS的影像诊断效能及药物的装载效率的提高，并没有充分发挥纳米医学材料微环境响应等多功能优势。本研究构建了一种安全、高效、具备微环境响应性及MR可视化功能的AS纳米治疗药物。不仅可以高效定量装载不稳定小分子药物DATS，避免引起血液中H2S急聚而产生毒副作用。通过靶向到斑块微环境响应性释放H₂S，增强病变部位的抗炎治疗效率，同时利用“类芬顿”反应解离出Mn²⁺与O₂，即可以改善乏氧加剧的炎性浸润从而辅助H₂S治疗效果，并通过MR连续动态监测DMM治疗效果。本研究为AS的诊疗一体化提供新方法，促进纳米医学在AS等炎性疾病领域的研究与应用。

全文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202402673

沈君      苏成勇      潘梅

李东野

      广东省珠江学者特聘教授，教育部新世纪优秀人才，中国研究型医院研究型人才，入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。担任国家卫健委百万减残工程专家委员会专业委员、中国研究型医院学会肿瘤影像诊断学专业委员会副主委、中华医学会放射学分会神经学组委员、中华医学会心血管病学分会心血管病影像学组委员、广东省医师协会放射医师分会主委、广东省精准医学应用学会分子影像分会主委、广东省医学会肿瘤影像与大数据分会候任主委、广东省医学会放射医学分会副主委等。承担国家重点研发计划1项（课题骨干）、NSFC-广东联合基金集成项目1项（课题负责人）、国家自然科学基金面上项目6项（主持）、国家自然科学基金数学天元基金数学与医疗健康交叉重点专项1项（医学PI）、广东省重点领域研发计划1项（主持）。以第一/通讯作者发表SCI论文123篇，包括Cell、Nat Biomed Eng、Nat Commun、Adv Sci、Adv Funct Mater, ASC Nano、Small、Small methods、Nano Lett、Biomaterials、Clin Cancer Res、J ImmuoTher Cancer和Radiology等国际权威期刊。

      从事配位超分子化学与材料领域的研究，致力于揭示配位超分子体系结构多样性、可控组装与构效关系的内在规律，发展微纳配位空间的识别、催化、动态、光电和生物诊疗等性能。已在国内外学术期刊发表通讯/第一作者论文300余篇，论文他引30000多次，H指数87。作为第一完成人获得国家自然科学奖二等奖等学术奖励。

      1998和2001年分别于山东大学化学院和晶体所获得本科和硕士学位，2004年于中科院上海技术物理所获得博士学位，2006年进入中山大学工作。目前主要开展发光功能配位超分子的结构、机制与性能研究。在JACS、Angew Chem、Nat Commun、Chem、Chem Rev等发表通讯/第一作者论文150余篇，他引超过7000次，H指数49。获授权国家发明专利10余件，2013年获国家自然科学二等奖，入选广东特支计划青年拔尖人才。目前担任中国晶体学会第一届青年工作委员会主任，生物无机与合成化学教育部重点实验室副主任，Inorg Chem Commun主编，Chem Res Chinese Univ、高等学校化学学报、发光学报青年编委。

    担任J Magn Reson Imaging、Front Cardiovasc Med、Korean J Radiol等杂志审稿专家。主要从事心脑血管疾病影像研究，包括心脑血管高分辨MR成像技术的临床应用、动脉粥样硬化MR分子影像学研究、动脉粥样硬化MR造影剂开发与应用。主持中国博士后科学基金面上资助1项、广东省自然科学基金面上项目1项，参与国家自然科学基金1项。在Small、Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance、European Radiology、Frontiers In Cardiovascular Medicine 、Annals of Clinical and Translational Neurology等专业领域知名期刊发表 SCI 论文共24篇，其中一作7篇。