杨黄浩/宋继斌Angew：Janus Au-MnO纳米囊泡用于肿瘤SDT/CDT协同治疗

第一作者：Xiahui Lin

通讯作者：杨黄浩、宋继斌

通讯单位：福州大学

研究亮点：

1. 设计了涂有PEG和ROS敏感聚合物的Janus Au-MnO纳米颗粒(JNPs)--一种具有超声(US)和谷胱甘肽(GSH)双响应囊泡。

2. 在US刺激下，这些囊泡首先分解成小的Janus Au-MnO纳米颗粒，然后进一步分解成更小的Au纳米颗粒和Mn²⁺离子，以响应肿瘤区域的高水平GSH，在提高了NP的穿透性的同时增强了ROS的产生，从而提高了SDT效率；

3. 通过双模态光声成像和MR成像，协同SDT/CDT抑制原位肝肿瘤生长。

背景介绍：

超声(US)是一种无创、深穿透的机械波，在生物医学领域具有广泛的应用。声动力疗法(SDT)是一种基于US的治疗方式，通过活性氧(ROS)的产生和声敏剂的声空化作用，在超声刺激下杀死癌细胞。由于Au NPs的粗糙表面可作为成核位点并降低空化阈值，并克服了常规有机声敏剂的稳定性低、水溶性差的限制，因此可将其作为声敏剂。此外，由于增强的热和机械效应，使用Au NPs作为声敏剂通过空化产生ROS不仅可以产生单线态氧(1O2)，而且可以产生羟基自由基(·OH)，使其适用于缺氧肿瘤的治疗。然而，目前用于SDT的纳米平台由于其大尺寸而不能充分发挥US的优势，敏感性低，治疗效果有限。此外，肿瘤的异常血管和致密细胞外基质限制了声敏剂的组织穿透，进一步限制了SDT的疗效。氧化锰纳米颗粒(MnO NPs)可以分解释放Mn²⁺用于响应谷胱甘肽(GSH)的类Fenton反应。已有报道称US激波的局部湍流可提高Fenton反应的效率。因此，具有双相核心几何结构的Janus纳米颗粒(JNPs)可提供在一个NP中结合两种不同功能的能力。此外，JNPs相对较小的尺寸可显著提高其组织穿透性。

成果简介：

有鉴于此，福州大学杨黄浩教授和宋继斌教授研究团队设计了涂有PEG和ROS敏感聚合物的Janus Au-MnO纳米颗粒(JNPs)--一种具有超声(US)和谷胱甘肽(GSH)双响应囊泡。在US辐照下，囊泡被分解为具有促进穿透能力的小Janus Au-MnO纳米颗粒(NPs)。随后，GSH触发MnO降解并同时释放出较小的Au NPs（作为众多空穴成核位点）和Mn²⁺（用于化学动力学治疗（CDT）），从而导致大量活性氧(ROS)生成。这种智能纳米平台还可在第二近红外(NIR)窗口中进行双模态光声成像和由于释放的Mn²⁺而进行的T1-MR成像，并通过协同SDT/CDT抑制原位肝肿瘤生长。

图1：两亲性Janus-Au-MnO-NPs自组装成JNP Ves示意图及US和GSH刺激下SDT/CDT协同治疗

要点1：双响应两亲性JNP Ves的合成

US和GSH双重响应性JNP囊泡(JNP Ve)作为一种新型声敏剂是通过接枝亲水性硫醇化聚乙二醇(PEG-SH)和疏水性ROS敏感性聚(1,4-苯丙酮二甲基硫缩酮)(PPADT-SH)聚合物的Janus Au-MnO纳米粒子自组装而成。

不对称Janus Au-MnONPs首先通过MnO在AuNPs的一侧异质外延生长而合成，然后通过共价Au-S键将疏水性ROS敏感聚合物PPADT-SH和亲水性PEG-SH锚定在Au表面上，合成双响应性两亲性JNP@PEG/PPADT，再使用水包油乳化方法将两亲性JNP@PEG/PPADT进一步自组装成囊泡(JNP Ve)。PEG改性的Au NPs外表面促进了JNP Ves的循环，并通过封装保护MnO免受外界环境影响。这种设计保证了JNP Ves的高生物安全性，并扩大了其可能的应用范围。

图2：不同组装步骤中，纳米结构的表征

要点二：JNP Ves作用机理研究

由于大量的成核位点的存在，使得较小的NPs的存在增加了空化的可能性，超声刺激产生的ROS破坏了PPADT聚合物从而破坏了自组装的JNP Ves。随后，拆开的JNP Ves通过空化生成提高了SDT效率，并通过释放Mn²⁺来诱导CDT效应。实验证实，拆开的较小的Au NPs能产生比完整的JNP Ves更多的ROS。其机理为，在US辐照下，空化成核位点数量突然增加，Au NPs通过热效应和机械效应转化氧气和分解周围的水，生成·OH和1O2。因此，这种新型JNP声敏剂提供了一种可控的SDT手段，为克服缺氧性肿瘤的限制提供了可能。

图3：JNP Ves在US刺激下响应性分解与协同SDT和CDT的机制

要点三：通过双模态PA成像和MR成像，JNP Ves协同SDT/CDT抑制肿瘤生长

肿瘤内较高水平的GSH是提高治疗性纳米药物对实体肿瘤准确性、特异性和渗透性的有效刺激，同时对正常组织的损害最小。对于Janus Au-MnO NPs而言，GSH是一种二级刺激物，可逐渐分解MnO并释放Mn²⁺和AuNPs。Mn²⁺具有优异的类Fenton活性，在HCO^3-的帮助下可将H₂O₂转化为·OH。因此，Mn²⁺介导的类Fenton反应可以与SDT协同作用以抑制肿瘤细胞的生长。同时，顺磁性Mn²⁺是一种T1-短缩剂，可增强MR对比度，用于深部肿瘤的高分辨率成像。

通过原位模型检测JNP Ves的抗肿瘤作用，在US和JNP Ves的双重作用下，小鼠肿瘤仅观察到轻微的增加。而原位肝肿瘤小鼠模型则证明了JNP Ves的体内治疗和成像效果。在1260nm激光照射下，JNP Ves在NIR-Ⅱ窗口以浓度依赖方式表现出增强的光吸收，PA成像证实了JNP Ves的高肿瘤蓄积和穿透能力。体内血液循环结果显示，随着时间的推移，血液中JNP Ves的浓度逐渐降低，表明其具有时间依赖性的清除和代谢作用，可以很容易地从体内消除。上述结果表明JNP Ves是一种有前景的双成像纳米平台，可通过MR和PA信号放大实现精准肿瘤诊断，并协同SDT和CDT抑制肿瘤生长。

图4：JNP Ves的PA成像及MR成像治疗效果图

小结：

通过两亲性Janus Au-MnO NPs的自组装，开发出新型的US和GSH双响应纳米囊泡，可将其作为一种高效的声敏剂。此囊泡可表现出针对特定肿瘤成像的肿瘤激活的NIT-II PAI和T1-MRI信号。在US和GSH刺激下，囊泡首先分解成小的AuMnO NPs以增强肿瘤的穿透，然后进一步分解成更小的Au NPs和Mn²⁺，分别用于增强SDT和引发CDT。这种新型声敏纳米囊泡可增加原位肝肿瘤中的纳米药物渗透，并通过增强的T1-MRI和PAI，协同SDT和CDT抑制肿瘤生长。这种JNP Ves有望成为成像引导的深部肿瘤精准治疗药物。

参考文献：

Xiahui Lin, Shuya Liu, Xuan Zhang, et al. Ultrasound Activated Vesicle of Janus Au‐MnO Nanoparticles for Promoted Tumor Penetration and Sono‐Chemodynamic Therapy of Orthotopic Liver Cancer. Angew. Chem. Int. Edit., 2019.

https://doi.org/10.1002/anie.201912768

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