解读ACS Nano文章‖ 压电材料R-BTO—活性氧源源不断的生产专家，乏氧肿瘤的关键抑制剂与治疗小能手！

研究背景

缺氧是实体肿瘤微环境中的特征之一，其与缺氧诱导因子（HIF-1α）过表达有关。HIF-1α的表达会影响肿瘤血管生成和转移，通过缓解缺氧可有效降低HIF-1α水平，从而抑制肿瘤的转移。虽然已有工作致力于提高肿瘤内氧气含量，但仍存在供氧量不足等问题，限制了这些策略的实施，因此，探索更先进、更有效的供氧策略是必要的。

活性氧（ROS）是具有氧元素的化学活性分子，它可以通过破坏蛋白质、氧化脂质和破坏DNA而导致细胞死亡，利用ROS是一种很有前途的肿瘤治疗方法，例如声动力治疗（SDT）。SDT利用高组织穿透性的超声波激发声敏剂将氧气转化为ROS以杀死肿瘤细胞。因此，建立能够产生ROS和缓解肿瘤乏氧环境的平台有望创造一种多功能的肿瘤治疗策略，实现一石二鸟杀死肿瘤。

工作介绍

近日，北京大学第三医院梁晓龙研究团队基于压催化效应，制备了DSPE-PEG₂₀₀₀包覆的超小钛酸钡纳米颗粒（P-BTO）用于乏氧肿瘤的治疗并抑制肿瘤的转移。

1. 钛酸钡（BTO）是一种压电材料，具有较高的介电常数。BTO被用作压电催化剂，在机械搅动（如超声）下，BTO表面会产生不平衡的电荷状态，过量电荷可以诱导至少两种氧化还原反应行为：释放的电荷可以直接与水分子反应生成氧气；释放的电荷也可以与水分子或氧气结合产生ROS。

2. 相反，当搅拌机械力减小时，电荷会从周围电解液中吸附，平衡压电效应引起的束缚电荷，这也会触发两种反应行为：电解液中的电荷被吸引到BTO的表面，从而产生高的表面电位使水分裂产生氧气；电解液中与束缚电荷极性相反的电荷将参与氧化还原反应，再次生成ROS。

3. 在体外超声辐照下，P-BTO表面的电荷会引起氧化还原反应的级联，进而诱导ROS和O₂的产生。所产生的O₂可以缓解肿瘤微环境的缺氧，降低HIF-1α的表达，从而抑制肿瘤转移。同时，产生的ROS可以有效地杀伤肿瘤细胞。

Scheme 1. 压催化效应诱导肿瘤治疗原理图

该工作发表在ACS Nano上，IF=14.588。

研究思路

论文导读

Figure 1. P-BTO的表征

采用水热法合成了超小油酸改性BTO，包覆DSPE-PEG₂₀₀₀后制备的 P-BTO具有良好的水分散性，粒径为6.83 ± 1.75 nm，晶格间距为0.28 nm，DLS测量结果表明，P-BTO的水动力粒径为32.7 ± 4.32 nm，表面电位为-24.06 ± 8.16 mV（Figure. 1a-c）。XRD和XPS进一步表明了P-BTO的合成（Figure. 1d-f）。元素分布表明O、C、Ti均匀分布在P-BTO中（Figure. 1g）。FT-IR表明BTO和P-BTO在550 cm⁻¹附近均有吸收带，来自DSPE-PEG₂₀₀₀的1113 cm⁻¹、1669 cm⁻¹和2917 cm⁻¹处的吸收峰亦能在P-BTO上观察到，表明了DSPE-PEG₂₀₀₀成功的包覆（Figure. 1h）。为了了解PBTO纳米粒子的压电特性，测试了P-BTO的相电压信号，其显示出明显的180°相移，表明外部电场的变化可以改变纳米粒子的局部极化，蝴蝶形回路的幅值变化表现出外电场诱导的连续应变，验证了良好的局部压电响应（Figure. 1i-j）。这些数据表明合成的P-BTO具有良好的压电性能。

Figure 2. P-BTO产生氧气能力研究

与其他压电材料类似，P-BTO在超声波下表面会产生不平衡电荷，能够与水分子发生氧化还原反应，产生O₂和ROS（Figure. 2a）。用溶解氧仪测定水中氧的生成，P-BTO经过超声处理后能够有效产生O₂，且产氧量与P-BTO的浓度呈正相关（Figure. 2b-c）。此外，超声处理20 min后，US+P-BTO组能够观察到明显的气泡，随着超声功率的提高，其产氧量同样提高（Figure. 2d-f）。 

Figure 3. P-BTO的压催化能力研究

以SOSG为ROS荧光探针，与对照组相比，P-BTO经超声处理后能够产生更多的ROS，随着P-BTO的浓度增加以及超声功率的提高，SOSG的荧光逐渐增高，表明产生的ROS含量逐渐增加（Figure. 3a-c）。通过考察对罗丹明B的降解，进一步评价了P-BTO的超声压催化性能，在不同时间点，用紫外-可见分光光度计测定罗丹明B溶液在553 nm处的吸光度。与对照组相比，US+P-BTO罗丹明B溶液在553 nm处的吸光度随照射时间的延长而明显衰减，颜色由红色逐渐变为淡红色，有近75 %的罗丹明B可以被降解（Figure. 3d-f）。

Figure 4. P-BTO在细胞水平产生ROS和O₂研究

以2′,7′-dichlorofluorescein diacetate（DCFH-DA）为荧光探针检测细胞内ROS的产生。与其他组相比，US+P-BTO组的绿色荧光明显强于其他组，平均荧光强度为51.88 ± 2.36，远远高于其他各组，结果表明，在超声作用下，P-BTO能在细胞内水平产生大量的ROS（Figure. 4a-b）。以tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium(II) dichloride complex（[Ru(dpp)₃]Cl₂）为O₂探针用于评估细胞内的氧气水平，当细胞内氧水平下降时该探针会展现出明亮的红色荧光，细胞内氧水平升高时，荧光较弱。超声处理20 s后，US+P-BTO组出现了微弱的红色荧光，证明了细胞内氧气的高效供给，而其他组的红色荧光较强，说明缺氧环境并没有被改善（Figure. 4c-d）。

Figure 5. 压电催化效应介导的体外细胞毒性

以小鼠乳腺癌细胞（4T1）为模型，单独的P-BTO对4T1细胞不产生明显的毒性（Figure. 5a, c），而P-BTO经过超声处理后能够大量杀死4T1细胞（Figure. 5a-b, d）。这意味着P-BTO在超声作用下通过压催化效应可以实现对癌细胞的治疗。

Figure 6. HIF-1α体外抑制及侵袭实验

细胞内缺氧的环境会造成HIF-1α的表达上调，HIF-1α的过表达与肿瘤转移相关，可通过缓解肿瘤缺氧HIF-1α降低的表达。与其他组相比，US+P-PTO组的HIF-1α表达水平明显下调，证明P-BTO确实可通过超声触发后供应氧气来下调HIF-1α（Figure. 6a）。脯氨酸羟化酶结构域（PHD）可以羟基化HIF-1α，诱导HIF-1α蛋白泛素化，抑制其转录活性，从而抑制肿瘤细胞的侵袭。对照组、P-BTO组和US组的4T1细胞密度明显升高，说明在缺氧条件下培养的肿瘤细胞具有更高的侵袭能力倾向，相反，US+P-BTO组和常氧环境中4T1细胞的密度较低，侵袭细胞减少至26.62 ± 7.78%（Figure. 6b-c）。

Figure 7. Cy5.5标记的P-BTO的体内生物分布

以4T1肿瘤小鼠为模型，采用Cy5.5标记P-BTO，静脉注射Cy5.5标记的P-BTO后，肿瘤部位的荧光强度随时间的变化而增加，4 h达到最强，由于代谢作用4 h后荧光强度逐渐减弱（Figure. 7a-b）。离体实验表明P-BTO可以积累在肿瘤部位，而肝脏和肾脏显示出一定强度的荧光，表明P-BTO可以通过肝脏和肾脏的网状内皮系统排泄出去（Figure. 7c-d）。此外，采用二室模型，P-BTO的体内血液终末半衰期第一期为0.075h，第二期为4.462h，这应归因于包被的DSPE-PEG₂₀₀₀延长了P-BTO的循环时间（Figure. 7e）。采用ICP-OES分析不同时间点肿瘤和肝脏中的Ba元素含量，4 h时Ba在肿瘤部分积累最多，随后逐渐减少，24 h后少量Ba仍保留在肿瘤中，Ba在肝脏中的分布也随着时间的推移而增加，在注射后12 h达到最高含量，这是肝脏网状内皮系统捕获的纳米颗粒递送常见现象，且P-BTO在小鼠体内循环过程中主要通过粪便排出，少量通过尿液排出（Figure. 7f-h）。

Figure 8. 体内治疗效果

US+P-BTO治疗组肿瘤生长抑制能力最强，对肿瘤体积的抑制率高达71.34 ± 8.12%，治疗15天后肿瘤体积明显缩小，表现出较高的治疗效果（Figure. 8a-c）。 此外，在体内治疗期间，各组小鼠的体重均有轻微的增加，说明药物的副作用可忽略不计（Figure. 8d）。H&E实验结果显示，US+P-BTO组的肿瘤细胞核明显减少，表明ROS对肿瘤有明显的破坏作用；TUNEL实验同样表明US+P-BTO组的细胞明显凋亡；Ki-67抗原染色显示，US+P-BTO组阳性细胞核的减少率高于其他对照组，进一步说明US+P-BTO对肿瘤有明显的抑制作用（Figure. 8e-g）。

Figure 9. 体内肿瘤缺氧缓解和转移抑制

对照组、P-BTO组和US组HIF-1α的红色荧光强度均较强，表明单独的P-BTO或US不能缓解肿瘤缺氧，而US+PBTO组荧光强度最弱，抑制了HIF-1α的表达，表明超声处理后P-BTO具有缓解缺氧的能力（Figure. 9a-b）。治疗15天后观察4T1肿瘤小鼠的肺转移情况，对照组与其他组肺内均有较多转移结节，而US+P-BTO组很少见转移结节，肺部H&E染色切片中转移灶面积较小，表明该体系可以通过HIF-1α降低的表达进而抑制肿瘤的转移（Figure. 9c-d）。

论文亮点

1. 利用压电材料P-BTO的特性，通过压电效应引起的不平衡电荷会分布在P-BTO的表面，可通过超声触发P-BTO产生氧气和ROS。

2. 产生的氧气可以缓解肿瘤部位的缺氧环境，降低HIF-1α的表达，抑制肿瘤的转移。

3. 产生的ROS可用于杀死肿瘤细胞。

4. 这项工作能够为肿瘤微环境的缺氧调节、转移抑制和肿瘤治疗提供一种可能性，并且不需要额外的毒性化疗药物。

文献链接

Ping Wang, Qingshuang Tang, Lulu Zhang, Menghong Xu, Lihong Sun, Suhui Sun, Jinxia Zhang, Shumin Wang and Xiaolong Liang*.

Ultrasmall Barium Titanate Nanoparticles for Highly Efficient Hypoxic Tumor Therapy via Ultrasound Triggered Piezocatalysis and Water Splitting.  ACS Nano,  2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c00616.

=科研很苦，坚持很酷=

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