东华大学史向阳教授/沈明武研究员团队 AFM: 双驱动纳米马达用于高效肿瘤光热治疗及治疗后炎症缓解

2025-03-17 来源：高分子科技

最近的研究中，可将外部能量或化学信号转化为机械动能的自推进纳米马达因其在生物医学应用中的巨大潜力而受到越来越多的关注。与传统无运动特征的纳米载体系统相比，纳米马达的运动能力使其可以主动穿透细胞膜进入细胞，并实现增强的肿瘤渗透。纳米马达可将激光的光能转化为热能，从而通过热泳动驱动用于细胞内药物递送及组织穿透。考虑到金（Au）的光热特性，不同形态的Au已通过共价结合或喷射涂层技术与纳米载体结合以构建热泳纳米马达。然而，在这些纳米马达中Au的尺寸大多数都大于10 nm，这不利于最大化Au的光热转化效率及纳米医学应用，并且尺寸较小的Au更易实现在纳米马达上的可控分布。最近，荷兰埃因霍温理工大学Jan van Hest教授课题组将聚乙二醇-b-聚（D，L-丙交酯）（PEG-PDLLA）共聚物自组装，通过透析诱发形变制备了碗状聚合物囊泡（bowl-shape Polymersomes），因其形貌类似口形红细胞又可称为Stomatocytes。各向异性的Stomatocytes自带的不对称流线型结构使其可在外部刺激的推动下进行定向运动，因而被作为纳米马达的基底平台，进行了广泛研究。其中，涂覆了Au的Stomatocytes（Au-Stomatocytes）可以利用Au的光热特性，在激光照射下进行定向的热泳动，并具有触发光热治疗（photothermal therapy, PTT）的潜力。此外，Stomatocytes的内部空腔还可进一步用于负载药物或功能化纳米颗粒，从而扩展Stomatocytes的治疗活性。

考虑到肿瘤的高效治疗如化疗、放疗及PTT等总是伴随着肿瘤细胞免疫原性死亡的发生，这将导致损伤相关分子模式（DAMPs）的释放和抗肿瘤免疫的激活。然而，在PTT过程中对肿瘤部位进行局部激光照射引起的高温会使大多数肿瘤细胞坏死，从而释放过量的DAMPs、诱发炎症反应、引发细胞因子风暴，使光照区域皮肤严重损伤并使肿瘤易复发转移。因此，有必要设计一种智能纳米药物，可在PTT后缓解过度活化的免疫反应，从而在抗肿瘤免疫激活和炎症反应可控性之间取得平衡。

为了最大限度地发挥Au-Stomatocytes在PTT中的优势，东华大学史向阳教授/沈明武研究员团队将具有多种类酶活性和抗炎能力的氧化铈纳米颗粒（CeO_2-x NPs）整合进Stomatocyte体系中，通过简单的方法制备了一种表面修饰金纳米颗粒（Au NPs）、内部负载CeO_2-x NPs、外围进一步仿生伪装癌细胞膜（cancer cell membranes，CM）的纳米药物，可作为双驱动纳米马达用于运动增强的肿瘤PTT（图1）。负载的CeO_2-x NPs不仅可以作为炎症清除剂调控PTT后的炎性肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME），还可以利用类酶活性在缺氧的TME中产生O₂，进一步增强PTT的效果。

图1. Ce/Au-Stomatocytes@CM的合成及其用于体内抗肿瘤光热治疗示意图。

研究团队首先将PEG-PDLLA共聚物自组装并诱导形变得到了Stomatocytes，随后将通过沉淀法制备的CeO_2-x NPs包封在Stomatocytes内部，并通过原位还原在Ce-Stomatocytes表面紧密堆积一层Au NPs得到了Ce/Au-Stomatocytes。Cryo-TEM图像证明了Stomatocytes的合成及CeO_2-x NPs、Au NPs的成功负载（图2A-E）。接下来，在不同条件下分析了Ce/Au-Stomatocytes的类酶活性。结果表明Ce/Au-Stomatocytes在光热后温热、微酸性的TME中，可以利用Ce的类酶活性，清除ROS、将·O₂^-转化为H₂O₂、分解H₂O₂产生O₂（图2F-L）。

图2.（A-E）不同阶段Stomatocytes的cryo-TEM图；（F）Ce/Au-Stomatocytes的类酶活性作用机制；（G-I）不同条件下Ce/Au-Stomatocytes的类CAT酶活性；（J-L）不同条件下Ce/Au-Stomatocytes的类SOD酶活性。

随后，考虑到负载的Au NPs具有光热特性，研究团队在不同条件下分析了Ce/Au-Stomatocytes的光热升温性能。在激光照射下，Ce/Au-Stomatocytes可以有效地将光能转化为热能，使分散液温度升高，并表现出良好的光热稳定性（图3A-C）。接下来，研究团队通过NTA跟踪分析了Ce/Au-Stomatocytes在H₂O₂溶液中或在激光驱动下的运动性能。在激光照射下，Ce/Au-Stomatocytes可以进行与光源方向相反的定向运动（图3D-E）。这可能是由于Stomatocytes的不对称结构导致沉积的Au NPs沿Stomatocytes轴向不均匀排列，这使得激光照射时由Au NPs介导的等离子体产热分布不均匀，从而产生温度梯度，使Ce/Au-Stomatocytes进行负趋光性的定向运动。随后，由于Ce的类CAT酶活性，Ce/Au-Stomatocytes在H₂O₂溶液中可依靠Ce在内部空腔中产生O₂，随着O₂溢出驱动Stomatocytes进行非定向运动（图3F-G）。在H₂O₂和激光共同存在时，Ce/Au-Stomatocytes恢复了逆向光源的定向运动，主要由激光主导（图3H-I）。因此，当Ce/Au-Stomatocytes到达肿瘤部位后，可以在过表达H₂O₂的TME中进行O₂驱动的非定向自主运动，从而在一定程度上促进Ce/Au-Stomatocytes在肿瘤中的渗透；而在对肿瘤部位进行激光照射后，可使Ce/Au-Stomatocytes进行相对较快的定向运动，从而进一步增强其肿瘤渗透。

图3.（A-C）Ce/Au-Stomatocytes的光热性能；（D-I）Ce/Au-Stomatocytes在不同条件下的运动性能。

接下来，研究团队将提取了4T1细胞的细胞膜包覆在Ce/Au-Stomatocytes表面获得了Ce/Au-Stomatocytes@CM，通过cryo-TEM及SDS-PAGE证明了Ce/Au-Stomatocytes@CM的成功制备（图4A-B）。Ce/Au-Stomatocytes@CM仍然表现出稳定的类CAT酶活性、类SOD酶活性和清除ROS的能力，为利用Ce/Au-Stomatocytes@CM在PTT后的TME中缓解乏氧及抑制炎症提供了可能性（图4C-E）。细胞吞噬实验证明，H₂O₂及激光照射可以通过驱动机械运动帮助Ce/Au-Stomatocytes穿透细胞膜进入4T1细胞（图4F）。而4T1细胞膜的包覆则使Ce/Au-Stomatocytes@CM在4T1细胞中的吞噬量显著增高，表明CM可赋予Ce/Au-Stomatocytes对4T1细胞的同源靶向性（图4G）。研究团队接下来评估了Ce/Au-Stomatocytes@CM在激光照射下的直接癌细胞杀伤能力，结果表明Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser可实现最有效的癌细胞抑制，并通过PTT诱导显著的癌细胞凋亡（图4H-J）。

图4.Ce/Au-Stomatocytes@CM的（A）cyro-TEM图及（B）SDS-PAGE图；（C-E）Ce/Au-Stomatocytes@CM在不同条件下的类酶活性；（F）不同Stomatocytes在4T1细胞中的吞噬情况；（G）Ce/Au-Stomatocytes@CM在不同细胞中的吞噬情况；经不同处理后4T1细胞的（H）细胞活力图及（I-J）凋亡情况流式分析图。

随后，研究团队分析了Ce/Au-Stomatocytes@CM在体外3D肿瘤细胞球及小鼠体内肿瘤中的渗透能力（图5）。实验结果表明，CM的包覆使Au-Stomatocytes@CM具有增强的肿瘤积累，而Ce的加入可通过驱动运动在一定程度上改善Ce/Au-Stomatocytes@CM的渗透性及肿瘤分布。进一步的激光照射使Ce/Au-Stomatocytes@CM 在细胞球及肿瘤中的渗透最强，表明激光触发的定向机械运动可以帮助Stomatocytes在肿瘤中进一步扩散。这些结果进一步验证了Ce/Au-Stomatocytes@CM的运动特性对其肿瘤渗透的正向影响。

图5.不同情况下Stomatocytes在（A）3D肿瘤细胞球中的渗透情况及（B-E）小鼠体内的生物分布（I: Au-Stomatocytes, II: Au-Stomatocytes@CM, III: Ce/Au-Stomatocytes@CM, and IV: Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser）。

最后，研究团队建立了小鼠体内4T1皮下瘤模型，用于研究Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser的体内肿瘤抑制效率。Ce/Au-Stomatocytes@CM可通过激光诱导的PTT显著抑制肿瘤生长（图6A-B）。治疗后小鼠肿瘤凋亡率增加、乏氧指标（HIF-1α）表达下降，表明Ce的加入可通过缓解肿瘤部位的乏氧程度，增强PTT的治疗效果（图6C-D）。此外，治疗后对各组肿瘤外侧皮肤进行H&E切片发现，相较于PBS组，Au-Stomatocytes@CM + Laser组真皮层中腺体减少，而炎症细胞浸润明显增加（图6E中红框区域）。相反，Ce/Au-Stomatocytes@CM + Laser组的皮肤切片中并未观察到明显的炎症细胞浸润。同时，Ce的加入使小鼠血清中促炎因子表达水平降低，表明Ce的加入缓解了PTT引起的炎症反应（图6F）。这可能是由于Ce的类酶活性使负载了Ce的Ce/Au-Stomatocytes@CM可以清除部分活性氧，从而在一定程度上抑制了肿瘤部位在PTT后的炎症水平，这将有利于PTT 后皮肤创面的愈合。

图6.（A）体内抗肿瘤治疗时间线；（B）治疗期间各组小鼠肿瘤体积变化；治疗后各组小鼠（C）肿瘤细胞凋亡率及（D）HIF-1α表达水平；治疗后各组（E）肿瘤外侧皮肤的H&E 染色分析及（F）血清中细胞因子的表达情况。

总的来说，该研究设计的基于Stomatocytes的纳米马达具有多个优势：1）表面沉积的Au NPs赋予了Stomatocytes光热性能及运动特性，使其可以在激光照射下进行自主运动穿透肿瘤进行PTT；2）CeO_2-x NPs的类酶活性使Stomatocytes不仅可以在TME中产生O₂用于驱动运动、缓解肿瘤乏氧，还可以清除ROS以调控PTT后的炎症水平；3）经CM仿生后的Ce/Au-Stomatocytes@CM可通过同源靶向聚集在肿瘤部位，在激光照射下穿透肿瘤进行PTT，同时调节炎症反应缓解激光照射对表层皮肤的损伤。

以上研究成果以“Oxygen and Heat Dual-Driven Stomatocyte Nanomotors for Highly Efficient Inflammation-Relieved Breast Tumor Photothermal Therapy”为题，在线发表于国际著名期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202500113)。东华大学生物与医学工程学院史向阳教授、沈明武研究员与荷兰埃因霍温理工大学Jan C.M. van Hest教授为共同通讯作者，东华大学博士生郭云琦为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目、上海市科委政府间国际合作项目及国家留学基金委创新人才培养计划等的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500113

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（责任编辑：xu）

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