第一作者：Qi Zhang、Jiaojiao Wu、Jingjing Wang
通訊作者：王啟剛、成昱
通訊單位：同濟大學
研究亮點：
1. 首次提出磁熱酶串聯療法，即結合程序化的物理激活和生物激發的酶療法，實現時空控制1O2上調，進行癌癥治療；
2. 通過磷酸酶觸發凝膠自組裝制備包裹酶的新穎制備方法；
3. 附加的磁導航和成像技術實現主動導航至腫瘤部位，增加腫瘤部位藥物的累積。
研究背景：
傳統的癌癥治療包括手術、化療和放療，有著不可控制的毒副作用，這增加了腫瘤復發率，并導致不良的預后。在腫瘤區域通過生物氧化調節活性氧（ROS）是一種新興的用于癌癥治療的策略?；钚匝酰≧OS）在細胞內信號轉導和細胞命運調控中起著雙刃劍的作用。癌細胞中ROS水平升高在很大程度上依賴于抗氧化劑防御系統。因此，適當提高ROS，以精確打破癌細胞脆弱的氧化還原平衡，是有效治療癌癥的關鍵前提。
外源性ROS可以由物理環境壓力（例如紫外線或熱暴露）產生，如PDT，SDT，而內源性ROS的主要來源通常來自生物化學酶促氧化，如生物催化芬頓反應。然而，結合物理方法和生物化學方法的優點用于抗癌的方法還沒有報道。
事實上，在先天免疫系統中，奇妙的中性粒細胞能夠完美地結合外源性炎性細胞因子的活化，通過氧化酶和髓過氧化物酶的分泌來維持持續的生化抗感染和細胞命運調控。在這些過程中，NADPH氧化酶可以產生內源性H2O2或超氧陰離子自由基，并被髓過氧化物酶轉化為1O2或次氯酸。這種可激活、可調節的生物催化作用為可調節活性氧升高的腫瘤治療的物理-生化串聯設計提供了很好的啟示，即物理刺激可作為短期激活劑，酶可作為生物催化ROS的恒定輸出。
成果簡介：
有鑒于此，結合PDT和SDT的物理可活化特性以及EDT的有效酶促生物氧化作用，同濟大學王啟剛教授聯合成昱教授課題組提出了一類新型的載有酶的磁性納米凝膠，MNP-CPO@Nanogels，作為一種可活化和程序控制的嗜中性粒細胞模擬物，通過上調細胞內1O2進行的癌癥治療，稱為磁熱酶串聯療法（METT）。
總體思路:
串聯設計：首先，磁性納米粒子(MNPs)通過磁熱時空控制產生外源性H2O2，然后，氯過氧化物酶（CPO）再通過生物催化作用，將外源H2O2催化生成1O2，用于腫瘤治療。值得注意的是，自組裝凝膠層可為酶促反應提供保護性微環境和底物通道。
納米凝膠復合物作為MNPs和CPO的結合物，通過程序化的交變磁場誘導熱刺激，為控制1O2的生成提供了一種有吸引力的方法。
圖1. 示意圖
要點1：材料制備及表征
由于CPO的疏水性增強和非共價固定，穩定的納米凝膠通過表面酸性磷酸酶（AP）觸發了MNP核周圍氨基酸分子進行自組裝，以獲得鋅摻雜的Fe3O4 MNP和CPO納米凝膠復合物MNP-CPO@Nanogel。其水合粒徑為187±18.3 nm。
實驗表明，MNP-CPO@Nanogel仍具有較高的CPO酶活性和結構穩定性。另外，還驗證了材料在交變磁場下，具有很好的磁熱效果和能顯著催化產生1O2。
圖2. 材料制備及表征
要點2：細胞實驗
細胞內化顯示MNP-CPO@Nanogels能夠成功進入癌細胞的溶酶體。且在5min內，MNP的溫度升高到43℃，說明MNP具有良好的磁熱效率。重要的是，作為METT概念研究的證明，首先，MNP@Nanogels（MH）的磁熱療提高了細胞內H2O2的含量，然后MH活化的生物催化MNP-CPO@Nanogels（ET）連續產生1O2，這兩個都得以證明。此外，實驗還表明細胞內H2O2和1O2的量可由METT程序化調控。
在細胞毒性實驗中，METT組在非常低的孵育濃度下顯示出有效的抗癌功效，且酶處理和磁熱療之間具有理想的協同作用。在凋亡機制研究中表明，METT可能通過caspase依賴的途徑誘導細胞凋亡。
圖3. 細胞實驗
要點3. 動物實驗
在U87膠質母細胞瘤原位模型實驗中結果表明，經顱內注射，METT能有效地抑制膠質母細胞瘤的發生，對正常組織安全。此外，在MCF-7皮下模型的進行瘤內注射和靜脈注射。瘤內注射中，腫瘤在第7天明顯收縮，在第15天幾乎消失。
同時，在靜脈注射MNP-CPO@Nanogels的MCF-7皮下模型中，經磁導航治療的小鼠在腫瘤部位具有更高比例的磁納米凝膠積聚，且顯示出抑制作用。該物理生化級聯療法可實現空間控制物理信號的生成，且以可編程的方式觸發在靶點處后續生成的生化試劑，從而選擇性殺傷腫瘤。
簡而言之，新穎的磁熱-酶級聯治療模型以及附加的磁導和成像技術，相對于以前的被動酶動態治療而言，具有重大進展。
圖4. 原位模型及皮下模型實驗
小結：
總而言之，受生物抗炎反應性生物催化的啟發，首次提出并證明了時空可控的磁熱酶串聯治療（METT）策略用于1O2上調的癌癥治療。即載有酶的磁性納米凝膠可以促進磁熱誘導的細胞內ROS的生成以及串聯CPO催化的1O2的連續生成。該智能納米凝膠復合物通過在一個平臺上結合程序化的物理激活和生物激發的酶療法，可以拓寬未來研究人員的抗癌思路。這項工作可以增強工程化的生化反應，使其成為一個串聯過程，以上調并產生豐富的1O2用于癌癥治療，這為1O2誘導的腫瘤治療策略的發展提供啟示。
參考文獻：
Zhang, Q., Wu, J., Wang, J., Wang, X., Wu, C., Chen, M., Wu, Q., Lesniak, M..S., Mi, Y., Cheng, Y. and Wang, Q. (2019), Neutrophils‐Inspired Supramolecular Nanogel for Magnetocaloric‐Enzymatic Tandem Therapy. Angew. Chem. Int. Ed.
doi:10.1002/anie.201915118
https://doi.org/10.1002/anie.201915118
課題組介紹
王啟剛教授，1999年本科畢業于華東理工大學能源化工系，2002碩士畢業于華東理工大學能源化工系，2005年3月博士畢業于中科院上海硅酸鹽所，2005-2011年分別在香港科技大學、日本東京大學和RIKEN從事博士后研究工作。2011年3月加盟同濟大學化學科學與工程學院，任特聘教授，博士生導師，先后獲得教育部新世紀人才和上?？莆纸瞬诺确Q號。多年的研究圍繞"含酶載體材料的設計及催化氧化應用"這一主軸來展開，以通訊作者及第一作者在Nature, Adv. Mater.，Nat. Comm., JACS，Angew, ACS Nano等國際高影響期刊發表論文70余篇。
成昱教授，美國凱斯西儲大學物理化學專業博士，美國芝加哥大學醫學院腦癌研究中心博士后，同濟大學醫學院教授。研究方向：納米智能材料在腦腫瘤診斷及治療中的應用、納米材料與干細胞聯用在癌癥治療中的應用以及納米材料生物相容性的研究。已在Advanced Drug Delivery Reviews、Journal of American Chemical Society、Small、Biomaterials等國際高水平雜志上發表SCI論文及著作。創新成果被國際同行廣泛認可，單篇他引次數已經超過250次。
