大家好，今天给大家分享一篇发表在《Advanced Materials》上的文章“NIR-Actuated Ferroptosis Nanomotor for Enhanced Tumor Penetration and Therapy”，南方医科大学涂盈锋教授和中山大学彭飞教授为共同通讯作者。![]()
1．简介
铁死亡纳米诱导剂在恶性肿瘤治疗中引起了广泛关注。然而，肿瘤内过氧化氢水平低和复杂的生物屏障阻碍了纳米药物产生足够的活性氧 (ROS) 并实现肿瘤渗透的能力。因此，增强纳米药物的渗透和溶酶体逃逸至关重要。具有自主运动能力的微纳米马达可以克服这些缺点，同时提高微纳米尺度上肿瘤的渗透性。
基于此，在本研究中，作者开发了一种由 NIR 激光驱动并具有 H2O2供应能力的自热泳纳米马达，可用于协同肿瘤化学动力学疗法（CDT）和光热疗法（PTT）。Janus纳米电机是通过聚多巴胺（PDA）与过氧化锌（ZnO2）的不对称修饰，然后再通过PDA中的多酚基团与亚铁离子（Fe2+）进行螯合，称为ZnO2@PDA-Fe（Z@P-F）。ZnO2能够缓慢地将过氧化氢 (H2O2) 释放到酸性肿瘤微环境（TME）中，为铁死亡所需的芬顿反应提供足够的成分。在近红外激光照射下，负载的Fe2+被释放，并且由于不对称的PDA 涂层会同时形成热梯度，从而赋予纳米马达基于自热泳的增强扩散能力，从而实现后续的溶酶体逃逸和肿瘤穿透。
【自热泳纳米马达示意图】
通过将光热 PDA 不对称地包裹在 ZnO2纳米粒子 (NPs) 上，随后通过 PDA 涂层中的多酚基团螯合亚铁离子，成功制备了Janus ZnO2@PDA-Fe (Z@PF) 纳米马达（图 1）。不对称引入的 PDA 壳吸收了 NIR 激光，在纳米马达周围形成热梯度。自热泳使 Janus Z@PF 纳米马达具有有效逃离溶酶体和增强深层肿瘤穿透力的运动能力。通过在 NIR 照射下和酸性 TME 中释放 Fe 2+和 H2O2，Z@PF 在肿瘤中持续产生大量脂质 ROS 并消耗 GSH。因此，SLC7A11-GSH-GPX4抗氧化轴被阻断，从而实现Fe 2+介导的SLC7A11和GPX4蛋白失活，有效消灭肿瘤。![]()
图1. 自热泳纳米马达示意图。
【Z@PF 纳米马达的表征】
在氮气氛围下加入Fe2+，并与PDA的儿茶酚基团螯合，成功制备出Janus ZnO2@PDA-Fe NPs(Z@PF)。透射电子显微镜(TEM)图像（图2a ）清楚地显示了ZnO2一侧的不对称PDA层。Fe 2+螯合导致Z@PF 的尺寸略有增加（228.14 nm），引起zeta 电位升高至1.43±0.03 mV（图 2b，c）。Fe 2p 谱中，722.72 eV 处的 Fe 2p1/2 和 709.46 eV 处的 Fe 2p3/2 两个主要峰表明 Z@PF 中 Fe 的化学状态主要为 +2 价态（>80%）（图 2d）。傅里叶变换红外（FTIR）光谱显示Fe 2+与 PDA成功螯合（图 2e）。![]()
图2. Z@PF 纳米马达的表征。
图 3a中相应的红外图像显示出明显的温差，这与图 3b中的光热曲线一致。用808 nm光（1.5 W cm −2 ）照射10分钟后，Z、Z@P和Z@PF（ZnO2浓度为300 µg mL −1）分别加热到30.6、42.3和53.4 °C。然而，在相同光照条件下，对照组仅增加了1.6 °C（图 3b）。ZnO2浓度为150 µg mL −1的Z@PF也用不同强度的NIR激光照射10分钟（0.5–2 W cm −2），温度与激光强度呈正相关（图 3c）。在近红外光（1.5 W cm −2）照射下，随着 Z@PF 浓度（75、150 和 300 µg mL −1）的增加，温度从 29.4 升高到 38.8 °C、47.8 °C 和 57.6 °C（图 3d），表明 Z@PF 的光热效应与样品浓度成正比。Z@PF 在五次近红外光照射（1.5 W cm −2）后表现出几乎相同的加热和冷却曲线（图 3e），证明了良好的光热转换稳定性。Z@PF 的光热转换效率（η）也计算为 26.46%，表明 Z@PF 是一种潜在的光热剂（图 3f）。图 3g表明我们的系统可以在酸性 TME 中 充分产生 H2O2。Z@PF 在 pH 5.5 下的 Zn2+释放率从 pH 7.4 下的 36.68±4.72% 增加到 89.74±6.65%（图 3h）。在NIR辐射和酸性条件（pH 5.5）下，Fe2+的累积释放率明显高于pH 5.5下的65.97±0.75％（图 3i ）。pH为5.5的NIR辐射下，Z@PF表现出大部分MB的分解，而在pH 7.4且没有NIR辐射的情况下，Z@PF表现出较少的MB分解（图 3j）。![]()
图3. Z@PF 的光热能力和酸性释放。
【Z@PF 增强扩散促进肿瘤渗透】
如图4a 所示，在 PBS 中可以清楚地观察到 Z@PF 纳米马达的增强扩散，并且这种扩散依赖于 NIR 强度（0-2 W cm −2）。在2 W cm −2 NIR强度下，Z@PF的速度为5.08±0.32 µm s −1，比布朗运动快1.87±0.05倍（图 4c ）。与没有NIR照射的布朗运动相比，在0.5–2 W cm −2 NIR照射下，纳米马达的轨迹均显著延长（图 4b）。进行均方位移（MSD）分析以探索由NIR激光驱动的纳米马达的运动（图 4d）。计算出的MSD随着激光强度的增加而增加，表明Z@PF纳米马达的光触发增强扩散。如图 4f所示，Z@PF纳米马达在NIR激光辐照后表现出最佳的肿瘤穿透深度。穿透百分比是根据肿瘤球内部和边缘区域的荧光比例来计算的（图 4g，h）。在NIR照射下，Z@PF的穿透效率比Z#PF高81.60±15.36％，表明我们的纳米马达具有优越的穿透能力。加入铁死亡抑制剂（Fer-1）后，更多的颗粒残留在肿瘤球表面。![]()
图4. Z@PF 纳米马达的增强扩散和肿瘤穿透。
【Z@PF 体外细胞存活率及溶酶体逃逸】
NIR照射后，Z@P组和Z@PF组的细胞存活率分别急剧下降至21.93±0.21％和13.36±0.59％（图 5a ）。在NIR照射下，Z@PF组（ZnO 2浓度= 12.8 µg mL −1 ）的细胞存活率仅为6.01±0.06％（图 5b）。用钙黄绿素-乙酰氧基甲酯/碘化丙啶（calcein-AM / PI）对活细胞和死细胞进行染色，活细胞和死细胞分别显示绿色和红色荧光（图 5c）。与未经NIR照射的Z@PF组相比，NIR + Z@PF组的活细胞与死细胞的比例降低了68.51％，但在加入铁死亡抑制剂Fer-1后再次增加了159.37％（图 5d）。利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对 4T1 细胞中荧光素异硫氰酸酯异构体 (FITC) 标记的纳米马达和 Lyso-Tracker（红色）进行荧光共定位，通过计算 Pearson's R 值分析 Z@PF 和 Z#PF 的溶酶体逃逸行为（图 5e）。图5f中显示了 Pearson's R 值与孵育时间的关系。结果表明在 NIR 照射下，Z@PF 纳米马达的溶酶体逃逸能力高于 Z#PF 非纳米马达。纳米马达的运动性有助于它们从溶酶体中逃逸。![]()
图5. 细胞活力和溶酶体逃逸。
【活性Z@PF诱导的铁死亡增强】
使用TEM表征线粒体形态（图 6a）。在图 6b-d中，NIR+ Z@PF组的GPX4和SLC7A11蛋白表达水平与Z@PF组相比降低了38.49±2.61%和40.96±1.71%。这表明Z@PF纳米马达结合NIR辐射可在体外有效诱导细胞铁死亡。如图 6e所示，NIR+Z@PF处理后4T1细胞的GSH水平显著降低，而加入Fer-1后GSH水平增加了82.36±13.60%，抑制了细胞的铁死亡。经Z@PF纳米马达处理后，丙二醛（MDA）等LPO也显著增加（图 6f）。Z@PF 纳米马达在近红外光下导致细胞产生大量 ROS，而 Fer-1 可以挽救这些 ROS（图 6g）。与 Z@PF 组相比，NIR+Z@PF 组的 线粒体膜电位（MMP） 降低了 59.03±1.03%，破坏的线粒体数量增加，而添加 Fer-1 后这种现象也得到了逆转（图 6g）。![]()
图6. Z@PF 纳米马达在体外主动诱导增强的铁死亡。
【Z@PF体内分布及体内治疗效果】
24 h后Z#PF组荧光强度逐渐减弱，而Z@PF荧光强度在36 h后开始逐渐降低，72 h时间点Z@PF组肿瘤信号比Z#PF组高140.57±15.26%（图 7a）。建立荷瘤小鼠模型，研究纳米马达增强的抗肿瘤功效（图 7b）。通过肿瘤体积、肿瘤重量和免疫荧光染色评估Z@PF纳米马达的抗肿瘤效果。图 7c、d总结了治疗期间肿瘤的生长体积。肿瘤重量证明了NIR暴露下Z@PF的抗肿瘤作用（图 7e）。苏木精和伊红（H&E）和TdT介导的dUTP缺口末端标记（TUNEL）染色用于验证治疗后的抗肿瘤效果（图 7f）。结果显示，NIR+Z@PF组的肿瘤细胞破坏比其他组更明显，肿瘤细胞更少，坏死面积更大，细胞核萎缩。显著的抗肿瘤作用归因于在NIR光照射下Z@PF的自热泳增强了肿瘤穿透力，并与Fe 2+介导的铁死亡协同作用。对小鼠肿瘤组织石蜡切片进行了免疫荧光实验，以验证 Z@PF 在体内诱导铁死亡的能力（图 7f）。与体外实验结果相似，与 Z@PF 组相比，NIR+ Z@PF 组的 ROS 水平增加了 40.23±2.86%，GPX4 表达水平减少了 64.20±0.52%，SLC7A11 表达水平减少了 35.33±0.74%。![]()
图7. Z@PF纳米马达在体内的主动抗肿瘤治疗。
3. 总结与展望
综上所述，本研究设计并制备了一种NIR驱动的自热泳纳米马达，用于增强肿瘤穿透力，实现协同的CDT/PTT。Z@PF纳米马达是通过调节界面能，用Fe 2+螯合的生物相容性PDA不对称包裹ZnO2而制备的。在NIR照射下，具有不对称结构的Z@PF产生自热泳，从而增强纳米马达的扩散并伴随光热疗法。在NIR激光驱动下，活性Z@PF促进细胞内化和溶酶体逃逸，显著增加Z@PF对肿瘤细胞的毒性，提高纳米马达在肿瘤中的深层蓄积和穿透力。在酸性肿瘤微环境中，NIR引发的Z@PF释放Fe 2+和H2O2进一步通过Fenton反应导致持续的ROS产生，从而诱导肿瘤细胞铁死亡。因此我们提出了一种在肿瘤局部区域进行原位ROS自补的治疗策略，为实体肿瘤的主动治疗提供了一个潜在的有前景的平台，并可以扩展到肿瘤的临床治疗。【文章链接】
https://doi.org/10.1002/adma.202412227
【DOI号】
10.1002/adma.202412227
IF = 27.4
