吉林大学闫飞/施展：硫化铜/碳点/硼替佐米纳米颗粒增强光热疗法

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【科研摘要】

光热疗法（PTT）是治疗癌症的新兴治疗策略。然而，关键的挑战仍然在于合理设计协同纳米颗粒作为潜在的光热转导剂，其可以有效地增强PTT治疗肿瘤的疗效。最近，吉林大学闫飞和施展教授团队开发和表征了与碳点（CuSCD）复合的中空结构CuS纳米颗粒，该纳米颗粒在808 nm激光辐照下表现出优异的光热转换效率，具有增强的生物相容性和降低的毒性。相关论文题为Bortezomib-Encapsulated CuS/Carbon Dot Nanocomposites for Enhanced Photothermal Therapy via Stabilization of Polyubiquitinated Substrates in the Proteasomal Degradation Pathway发表在《ACS Nano》上

在载有蛋白酶体抑制剂的CuSCD表面涂有与T7肽杂交的巨噬细胞膜后，CuSCDB@MMT7对癌细胞具有靶向特异性，具有免疫逃逸和转铁蛋白受体介导的内吞作用增强的特征。CuSCDB@MMT7触发的PTT主要表现出在NIR诱导的高温下热稳定的多泛素化肿瘤抑制蛋白的积累，从而促进肿瘤细胞凋亡的增加和转移的减弱。这项研究为蛋白酶体抑制剂负载的CuS/碳点纳米复合物-PTT策略提供了概念验证，并着重介绍了一种有前途的治疗策略，可为有效的临床癌症治疗提高治疗效果（图1）。

图1.通过泛素依赖性蛋白酶体降解途径中各种底物的热稳定作用，用于增强光热疗法的蛋白酶体抑制剂包封的CuS/碳点纳米复合物的示意图。

【图文解析】

球形碳点均匀沉积在CuS表面，形成纳米壳/卫星形态（图2a，b）。如图2c所示，在0.5 W cm–2的照射下7分钟，CuSCD溶液（100μg/ mL）的温度可能会升高到65.6（42.2°C升高），而CuS和水的温度只能 分别升高到47.5°C（增加24.1°C）和25.8°C（增加2.4°C）。此外，在经过三个加热和冷却循环后，CuSCD的生热能力保持稳定（加热5分钟，冷却5分钟保持一个循环，图2d）。如图2e所示，观察到CuSCD组在肿瘤部位温度升高15.1±0.9°C，而CuSCD组温度升高17.4±0.8°C，这表明CuSCD可能在肿瘤部位聚集。通过被动靶向策略治疗肿瘤，在体内进行癌症的热疗时，比体内的CuS具有更高的近红外光热效应。

图2. CuSCD的表征。

CuSCDB @ MMT7的平均流体动力学尺寸为222.5±20.1 nm（PDI = 0.129），ζ电位为-18 ±1.8 mV，由于存在巨噬细胞膜包膜，其比裸露的CuSCD（205.3±20.4 nm，PDI = 0.087，-8.3±1.3 mV）稍大且电荷较少（图3a–c）。SDS-PAGE分析和Western-blot分析证明，巨噬细胞的特征性膜蛋白（包括CD44，CD135和CD309）在细胞裂解液，细胞膜和CuSCDB @ MMT7上表达良好（图3d，e）。CuSCDB @ MMT7的温度可以在功率密度为0.5 W cm-2的情况下以808 nm的NIR激光辐照808 nm迅速升高至65.3°C，而单独的H2O温度则保持23.1°C（图3f）。所有这些结果还通过ICP-AES（图3g，h）在用各种纳米颗粒处理过的4T1，Raw或L929细胞中进行了证实（CuSCDB带有对照T7肽，有/没有巨噬细胞膜包被作为对照），结果提示 CuSCDB @ MMT7专门针对肿瘤细胞，并具有免疫细胞逃逸的能力。

图3. CuSCDB @ MMT7的特性。

使用LIVE/DEAD生存力/细胞毒性测定（图4a），菌落测定（图4b，c）和伤口愈合研究（图4d，e）进一步评估了NIR辐射诱导的光毒性。在NIR照射下，用照射处理过的细胞在CuSCDB @ MMT7中可最明显地抑制细胞死亡，集落形成能力和迁移，这与抗增殖结果的发现是一致的。如图4f所示，CuSCDB @ MMT7抑制了MCF7和4T1细胞的细胞增殖，IC50值约为51.6和51.9μg/ mL，明显低于CuSCD @ MMT7的IC50值（123.4和138.9μg/ mL）。作者还使用了100μg/ mL的纳米颗粒对两种细胞系进行了处理，这些纳米颗粒具有不同的激光照射功率密度，持续5分钟。可以看出，CuSCDB @ MMT7显着阻断了两种细胞系的增殖，其辐射功率密度的IC50值低于CuSCD @ MMT7（图4g）。

图4. CuSCDB @ MMT7的体外抗肿瘤活性。

如图5a，b所示，在NIR照射下，CuSCDB @ MMT7显着促进了多泛素化蛋白的积累，从而促进了对泛素化介导的蛋白降解的抑制。如预期的那样，CuSCDB @ MMT7显着增加了多泛素化蛋白，从而导致IκBα，p27和p21的活性呈剂量或时程依赖性（图5c-f），而IκBα，p27和p21显示出快速降解。NIR照射下用CuSCD @ MMT7处理的细胞中如图5c，e所示，IκBα，p27和p21表现出与CuSCD @ MMT7组相似的快速降解，表明与PTT和化学疗法联合治疗时出现意料之外的损伤，这可能导致肿瘤细胞存活和发展。由于这些肿瘤抑制物的失活而对PTT具有抗药性。总之，基于CuSCDB @ MMT7的热稳定的蛋白酶体通过热稳定的蛋白酶体的多泛素化底物参与细胞增殖和存活，从而提高了光热治疗效果（图5g）。

图5. CuSCDB @ MMT7的PTT效应的潜在分子机制。

由于CuSCDB @ MMT7具有出色的光热效应，高肿瘤蓄积性和良好的生物相容性，因此在4T1乳腺肿瘤异种移植模型中还进一步评估了体内光热治疗功效（图6a）。将4T1荷瘤小鼠随机分为六组（n = 6 /组），并用PBS，PBS+NIR，硼替佐米，硼替佐米+ NIR，CuSCD @ MMT7，CuSCD @ MMT7 + NIR，CuSCDB @ MMT7和CuSCDB @配制MMT7 + NIR分别。如图6b所示，两个对照组（PBS和PBS + NIR）显示出快速的肿瘤生长，并且这些组中的所有肿瘤在60天内增加了6倍。与对照组相比，仅用CuSCD @ MMT7或CuSCDB @ MMT7治疗的小鼠的抗肿瘤效果可忽略不计。对H＆E染色的肿瘤切片的分析证实，CuSCDB @ MMT7 + NIR组的坏死显着增强，表明硼替佐米和PTT在抑制肿瘤生长方面最有效（图6d）。一致地，通过PCNA染色也证实了对肿瘤增殖的抑制。此外，注射CuSCDB @ MMT7并随后照射的小鼠没有发现体重减轻，证实了CuSCDB @ MMT7的低全身毒性（图6e）。由于CuSCDB @ MMT7具有出色的抗肿瘤性能和可忽略的全身毒性，与单独接受硼替佐米或PTT的小鼠相比，其总生存期显着增加（图6f）。

图6. CuSCDB @ MMT7的体内抗肿瘤治疗作用。

综上所述：作者合理设计和开发了负载硼替佐米的仿生纳米复合材料，该复合材料具有巨噬细胞膜和T7肽共涂层用于靶向肿瘤治疗。CuSCDB @ MMT7在以下方面具有优势：（1）通过CuS与碳点的杂交增强PCE；（2）增加对癌细胞靶向的特异性和有利的免疫逃逸；（3）增强的抗肿瘤功效，不仅抑制了肿瘤的生长，而且抑制了转移；（4）增加了泛素依赖性蛋白酶体降解途径中涉及细胞增殖和存活的各种底物的热稳定性，实现了有希望的治疗结果。此外，这项研究提高了对暴露于NIR时CuSCDB @ MMT7触发的细胞死亡的分子机制的理解，该机制涉及在NIR诱导的高温下热稳定的多泛素化IκBα，p21和p27蛋白的积累，从而导致对NSC的破坏。下游异常信号通路，有利于细胞存活，促进细胞凋亡并防止细胞转移。最后，（5）设计纳米复合物作为临床潜在的联合疗法是一种非常有前途的癌症治疗策略。与使用相似类型的纳米粒子的单一疗法相比，这种联合疗法的主要优势是在相对较低的药物剂量和激光照射下可获得出色的协同治疗功效。总的来说，这项工作突出了用于治疗晚期癌症的有前途的治疗策略，支持其进一步评估，并为实现有效的临床癌症治疗的改善的治疗效果提供了框架。

参考文献：doi.org/10.1021/acsnano.0c05332

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