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中科院纳米能源所李琳琳与山东大学马保金《Small》:纳米粒子手性决定化学动力学癌症治疗效果
2024-02-23  来源:高分子科技

  手性存在于自然界的所有形式中,并在生物体中发挥着重要作用。氨基酸具有L-手性,而大多数糖类具有D-手性构型。天然酶由手性氨基酸组成,对底物的选择也具有手性特异性。手性在细胞新陈代谢、细胞命运决定、免疫反应和分子识别等各种生物过程中发挥重要作用。很多药物的手性也决定其治疗效果。同样,手性结构可能通过影响纳米材料与生物分子/细胞之间的相互作用,从而调控生物医学功能。因此,研究手性对这一相互作用的影响,将为纳米材料的设计提供重要的意义和价值。


  中国科学院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员山东大学马保金研究员团队合作,发现了铜-半胱氨酸自组装手性纳米粒子(Cu-L-Cys NPs和Cu-D-Cys NPs)的手性决定了其化学动力学疗法(CDT)癌症治疗的效果。这是在他们前期研发的铜-半胱氨酸自组装纳米粒子用于肿瘤化学动力学治疗的基础上(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 849-857;ESI高被引论文,被引用800余次),进一步深入探索的成果。


  研究发现,铜-L-半胱氨酸手性纳米粒子(Cu-L-Cys NPs)对癌细胞中产生的过量L-谷胱甘肽(L-GSH)具有更高的亲和力,能进一步提高Fenton-like反应效率,诱导癌细胞死亡,有效抑制肿瘤生长。实验表征和分子动力学模拟均验证了Cu-L-Cys NPs与L-GSH之间具有更强的相互作用。这种相互作用强弱是影响Fenton-like反应速率的关键因素。这项研究通过手性调控纳米粒子与内源性L-GSH的亲和力,实现了对催化活性的调节,提高治疗效果。 


用于手性增强癌症治疗的手性铜-氨基酸纳米粒子示意图 


图一. Cu-L-Cys和Cu-D-Cys NPs的化学动力学性能。


  Cu-L-Cys NPs在催化CDT过程中具有更高的催化活性,通过手性影响纳米粒子与L-GSH的相互作用和反应,从而决定治疗效果。实验数据表明,与Cu-D-Cys NPs相比,Cu-L-Cys NPs与L-GSH的反应速度更快,加速Cu(II)还原成Cu(I),进一步有效地加速Fenton-like反应,从而提高?OH的生成量。


图二. L-GSH与Cu-L-Cys或Cu-D-Cys NPs反应动力学。


  采用等温滴定量热法(ITC)从热力学角度测量了L-GSH与Cu-L-Cys 或Cu-D-Cys NPs之间的结合常数K。Cu-L-Cys NPs与L-GSH的结合常数比Cu-D-Cys NPs与L-GSH高2.1倍。Cu-L-Cys NPs对L-GSH更强的亲和力加速了二者氧化还原反应速率,进一步促进了后续Fenton-like反应。 


图三. Cu-L-Cys和Cu-D-Cys NPs对4T1皮下肿瘤小鼠的体内癌症治疗。


  总的来说,这项研究发现了铜-氨基酸纳米粒子的手性影响其与肿瘤内源性L-GSH的亲和力以及氧化还原反应速率,从而决定了其化学动力学肿瘤治疗效果。体内外实验和分子动力学模拟结果均证明了这一点。这一发现为化学动力学纳米药物的设计拓宽了新的思路。


  近期,该研究成果以“Chirality of Copper–Amino Acid Nanoparticles Determines Chemodynamic Cancer Therapeutic Outcome”为题发表在学术期刊Small上。文章第一作者是广西大学和中国科学院北京纳米能源所联合培养博士生王少波,通讯作者为中科院北京纳米能源所李琳琳研究员和山东大学马保金研究员


  论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202309328 


  李琳琳课题组主页:https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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(责任编辑:xu)
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