《Chem》无光产生单线态氧！pH响应化学发光的纳米颗粒

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【背景介绍】

在足够的H2O2存在下，基于Fenton或Fenton样反应的活性氧（ROS）生成的化学动力疗法（CDT）为癌症治疗提供了另一种机会。与其他癌症治疗方法（例如化学疗法，放射疗法或光动力疗法）相比，CDT具有更高的选择性，并且可以被内源性刺激（例如酸度和H2O2）激活。该过程在一定程度上防止了正常组织的损伤，因为该反应在正常细胞的微环境中被有效地抑制了。尽管已经采用了许多策略来促进CDT的有效性，包括选择/修饰纳米材料和优化反应过程，但仍需要开发具有高效率产生ROS的新型化学动力学反应。不出所料，CDT期间高效的ROS产生可能带来更好的治疗效果；但是，它通常会增加损坏周围正常组织的风险。因此，在治疗过程中执行ROS生成的实时监控以进行精确给药（例如精确的注射剂量或间隔）非常重要。

【文献摘要】

在CDT中，迫切需要新颖的化学动力反应来提高活性氧（ROS）的产生效率，同时对ROS进行实时监测对于最大程度地降低CDT的毒副作用至关重要。先前，湖南大学宋国胜/新加坡南洋理工大学浦侃裔教授团队开发了一种pH响应的化学发光和化学动力学系统（超分子Mn氧化物[MnOx]纳米片-半导体聚合物纳米颗粒[SPNs]）。相关论文Light-free Generation of Singlet Oxygen through Manganese-Thiophene Nanosystems for pH-Responsive Chemiluminescence Imaging and Tumor Therapy发表在《Chem》上。他们首次发现超薄MnOx纳米片在酸性触发下产生1O2的能力。值得注意的是，由MnOx产生的1O2可以替代光，并特别激发基于噻吩的SPN发出光子以用于近红外化学发光成像，从而大大放大了1O2的产生。由于肿瘤内固有的酸性，MnOx-SPNs实现了针对实体瘤的可激活化学动力学疗法。此外，比例化学发光/荧光成像能够校准1O2的输出，并在治疗过程中实现对1O2产生的实时和原位实时监测。

【图文解析】

组织开发了一种可激活的治疗和监测系统，该系统由超薄MnOx纳米片和SPN组成（示意图1）。组织提出了超薄MnOx（（MnII）1（MnIII）3.4（MnIV）2.8O11.7）在酸性触发下产生1O2的能力，这是一种新颖的化学动力学过程。通过筛选半导体聚合物，发现超薄MnOx纳米片刺激了基于噻吩的SPN发出化学发光（CL）。在探索CL机理之后，组织发现MnOx产生的1O2与SPN中的噻吩单元反应，从而激发SPN发出近红外（NIR）CL，从而进一步放大了1O2的产率。在肿瘤固有酸性的激活下，MnOx-SPNs系统在体内外取得了令人满意的化学动力学治疗效果。此外，CL /荧光（FL）的比例成像可以校准1O2的输出，以便更准确地就地监测治疗的化学动力学过程。

示意图1. pH响应性1O2生成和CL的示意图，以及按比例的CL/FL成像监测癌症治疗

用于产生1O2的超薄MnOx纳米片的合成

二维MnOx超薄纳米片是通过用NaBH4直接还原KMnO4制备的（图1A）。透射电子显微镜（TEM）图像显示出其超薄的片状结构（图1B），并通过原子力显微镜（AFM）测量了1.2 nm的厚度（图1C）。所制备的MnOx可以很好地分散在DLS尺寸为25 nm的水中。射线光电子能谱（XPS）光谱表明MnOx纳米片由MnII，MnIII和MnIV组成，比例为1：3.4：2.8（图1D）。随着pH值的降低，SOSG的荧光强度逐渐增加，表明酸性激活了1O2的产生（图1E）。 MnOx与2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酮（TEMP）（在pH = 4.4中）的孵育产生典型的1：1：1峰值信号，表明生成了1O2。ESR信号增加，表明1O2的产率更高；此外，降低的GSH被用作1O2的清除剂，并显着降低1O2的ESR信号（图1F），这些数据证明MnOx在酸性环境中产生了1O2。为了深入了解产生1O2的机理，与那些用灭活的超氧化物歧化酶（SOD）或不使用SOD的MnOx相比，诱导了SOD，它可以减少MnOx产生的1O2的ESR信号（图1G）。此外，1O2探针SOSG的FL随着MnIII离子浓度的增加而增强，并且在延长孵育时间的情况下也出现了这种增强（图1H）。

图1.超薄MnOx纳米片的表征及其产生1O2的能力.

pH响应CL成像的SPN的筛选

有趣的是，组织发现超薄MnOx纳米片可以刺激具有特定结构的SPN发出CL。在两亲性聚合物（聚（苯乙烯-马来酸酐）[PSMA]）存在下，采用纳米沉淀法将7种半导体聚合物分子转化为水溶性纳米颗粒（图2A和2B）。在酸性条件下（pH = 4.4）将那些SPN与MnOx一起孵育，并在生物发光模式下（无激发）通过IVIS光谱成像系统收集CL信号。作者发现只有那些含有噻吩单体的SPN（例如PFODBT和TTFQx）才会显示明显的CL信号（图2C）。令人惊讶的是，将MnOx与基于PFODBT的SPN在酸性（pH = 5.4）中孵育会立即产生强CL。仅从MnOx或SPN观察到信号（图2D）。此外，基于PFODBT的SPN与其他氧化底物或离子（ONOO-，H2O2，O2-·，·OH，Fe3+，Cu2+，Mn2+或S2- ）没有产生明显的CL发射（图2E），表明MnOx和基于PFODBT的SPN之间的反应具有高特异性。从690-770和820-880 nm通道观察到强发光，表明NIR发射波长（图2F和2G），这与PFODBT的FL发射一致（图3D）。此外，MnOx-SPNs系统表现出超灵敏的pH依赖性CL和FL发射（图2H）。随着pH值的降低，CL强度逐渐增强，同时FL排放量持续降低（图2H和2I）。此外，MnOx-SPNs的CL半衰期长达半小时（图2J和2K）。

图2.用于pH响应CL成像的MnOx-SPNs系统

机理研究

图3做了对照证明Mn对SPN的催化影响。（1）引发酸性时，从MnOx纳米片中释放MnIII离子以生成1O2。（2）在MnIII离子的催化作用下，1O2通过π2-π2环加成反应氧化了聚合物单元中的噻吩，形成了噻吩-二氧杂环丁烷中间体。（3）该中间体不稳定并自发降解并产生化学能。（4）化学能通过化学电子交换发光（CIEEL）过程从噻吩-二氧杂环丁烷中间体转移到未氧化的半导体聚合物中。（5）激发的半导体聚合物同时产生持久的发光和大量的1O2。

图3. MnOx-SPNs（PFODBT）系统的CL的机理研究

CL/FL排放与1O2产生之间的关系

作者用不同浓度的MnOx（0-100μg/mL）孵育了SPN，然后在活体动物成像系统中捕获了它们的CL和FL图像（图4F）。正如预期的那样，随着MnOx浓度的增加，CL强度逐渐增加（图4G），而FL强度连续下降（图4H）。由于CL和FL的规则逆变化，CL/FL的强度比可进一步用于比率成像。有趣的是，CL/IFL的比例与MnOx浓度呈正相关（图4I）。此外，更多的MnOx参与也导致更高的1O2水平（图4J）。作者尝试使用比率信号（CL/FL强度）来监视1O2的产生。在按照ICL/IFL的比例绘制1O2的产量后（图4K），

图4.用于增强的1O2生成的MnOx-SPNs（PFODBT）和与1O2相关的比例CL/FL

体外成像及化学动力学治疗

在4T1细胞共聚焦图像中，作者发现用MnOx-SPNs处理的那些细胞显示出比单独用MnOx和SPNs处理的那些细胞更强的SOSG荧光，这表明SPN仍可以促进癌细胞内MnOx产生1O2的能力。（图5A）接下来，作者通过测量分别与SPN，MnOx或MnOx-SPNs孵育的4T1细胞和HeLa细胞的细胞生存力来测试其对癌细胞的抗癌活性（图5B和5C）。作者发现，MnOx对癌细胞具有明显的抑制作用，而仅用SPNs处理的细胞则未观察到细胞毒性。值得注意的是，MnOx-SPNs对4T1细胞和HeLa细胞的抗癌活性均高于单独的MnOx，这与由MnOx-SPNs引起的细胞ROS产生更多有关。

图5.与体外抗癌作用相关的细胞ROS产生和CL/FL成像

MRI核磁成像

考虑到MnOx的MRI性能及其依赖于pH的降解特性，作者还研究了SPN激活的MnOx的MRI信号放大（横向弛豫，1/T2）（图6A）。此外，随着pH值降低，MnOx-SPNs的1/T2逐渐升高（图6E）。接下来，向瘤内注射4T1荷瘤小鼠的MnOx-SPNs（0.5mg/mL），并使用T2-MRI序列在不同的时间点进行扫描。随时间推移，注射MnOx-SPNs的肿瘤区域逐渐变暗，表明MnOx-SPNs可以作为体内T2-MRI的pH响应对比剂（图6F）。

图6.用于可激活MRI的MnOx-SPN

体内癌症治疗的可激活CL和比率CL/FL成像

由于在体外的优异CL性能，研究了该系统是否可用于体内CL成像。使用IVIS光谱成像系统（采集120 s）收集CL图像（图7A），并量化肿瘤的CL强度（图7A）。重要的是，与仅用MnOx治疗的肿瘤相比，MnOx-SPNs表现出更显着的肿瘤生长抑制作用（图7C和7D）。为了进一步验证体内肿瘤损伤，在免疫荧光末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP-生物素缺口末端标记（TUNEL）染色和苏木精和曙红（H＆E）染色处理后24小时将肿瘤切片（图7E和7F）。作者发现在PBS和SPNs注射的肿瘤中没有出现明显的凋亡信号和病理变化。

图7.用于可激活CL成像和体内动态疗法的MnOx-SPN

接下来，作者研究了比例成像在体内与治疗效果相关的潜力。可以预期的是，随着MnOx浓度的增加，这些肿瘤的CL图像会随着FL图像的减弱而逐渐变亮（图8A和8C）。从CL/FL图像计算，肿瘤区域的ICL/IFL比率也与MnOx浓度呈正相关（图8D）。

图8.比例CL/FL成像与体内抗癌作用相关

参考文献：doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.024

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