北理工张金凤团队AFM：五重自由基治疗—具有超长滞留能力与近红外光激活的全活性纳米药物（FAND）用于多位点乏氧肿瘤治疗

活性氧（ROS）包括单线态氧（¹O₂）、超氧阴离子（•O^2-）、过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（•OH）和脂质羟烷基（LOO•）等，它们是极不稳定的分子或分子片段，可与生物大分子（如DNA、蛋白质和脂质）作用并引发一系列连锁的氧化反应。由于癌细胞内部较多的遗传突变和代谢变化，其对ROS诱导的氧化应激比正常细胞更加敏感。因此，提高癌细胞内部的ROS水平是治疗癌症的一种潜在有效方案。基于ROS的治疗手段很大程度上依赖于肿瘤部位的O₂或H₂O₂浓度。尽管多种不依赖O₂/H₂O₂的纳米自由基发生器为ROS治疗提供了新方向，但有限的自由基种类及不理想的肿瘤滞留能力仍阻碍其实际治疗效果。

近日，北京理工大学张金凤（点击查看介绍）团队在顶级学术期刊Advanced Functional Materials 上发表研究论文，该团队在前期提出的全活性纳米药物（Full-API Nanodrug，FAND）新理念工作基础上（Nat. Commun., 2023, 14, 1660），进一步将临床上广泛应用的抗疟药物青蒿琥酯（ARTE），人体必需元素铁（Fe³⁺）和FDA批准的荧光剂ICG，通过合理自组装构建成AFeI FANDs，用于乏氧肿瘤高效治疗。值得一提的是，AFeI FANDs不仅能在肿瘤微环境中通过酸性响应性释放出多种活性药物组分（ARTE、Fe³⁺和ICG），同时还能在不完全依赖于O₂/H₂O₂浓度下，协同产生五种类型的ROS，即•O₂-、•C、•OH、LOO•和¹O₂，从而引起癌细胞内部多位点损伤，包括线粒体损伤、细胞核DNA破坏和脂质过氧化反应造成的细胞膜损伤，最终导致肿瘤细胞的有效杀伤。此外，AFeI FANDs在荷瘤小鼠中显示出超长的肿瘤滞留效果（>108小时 vs. 游离组<24小时）以及低剂量近红外光激发下良好的肿瘤抑制效果。总之，这项工作不仅提出了基于全活性纳米药物（FAND）用于五重自由基治疗的首个范例，同时对开发安全、高效、低成本且具临床转化价值的纳米药物具有重要意义。文章第一作者为北京理工大学在读博士生张创及赵东旭副教授，文章通讯作者为北京理工大学张金凤研究员。

该团队通过金属配位以及各组分之间的亲水性和疏水性特点，采用典型的一步自组装方法，简便且有效地构建了AFeI FANDs。其中，ARTE用作与O₂/H₂O₂无关的自由基产生剂，生成•O₂-和•C；Fe³⁺被肿瘤微环境中过量的GSH还原为Fe²⁺，随后通过Fenton反应产生•OH和LOO•，还原的Fe²⁺还可与ARTE分子中的内过氧化物桥反应，加速自由基的生成；ICG不仅可产生¹O₂还能作为近红外荧光分子，用于实时监测AFeI FANDs在荷瘤小鼠活体内的分布情况。通过相关表征对AFeI FANDs的成功组装，pH响应性释放以及自由基产生能力进行了验证（图1）。

图1. AFeI FANDs表征。（a）TEM图像和（b）AFeI FANDs的粒径（c）ARTE、FeCl₃、ICG和AFeI FANDs的Zeta电位。（d）ARTE、Fe³⁺、ICG和AFeI FANDs的紫外-可见吸收光谱。（e）ARTE、ICG和AFeI FANDs的FT-IR光谱。（f） AFeI FANDs的XPS光谱及其高分辨率Fe 2p XPS光谱。（g）AFeI FANDs的药物负载量（DLC）和药物负载效率（DLE）。（h）AFeI FANDs在PBS、甲醇、SDS、EDTA、NaCl和尿素中的UV-vis吸收变化。（i）不同pH（pH = 7.4、6.5和5.5）下Fe³⁺的释放和GSH的耗竭。插图是AFeI FANDs在pH 5.5下的形貌。（j）不同pH下AFeI FANDs产生的不同自由基的ESR。

体外实验结果显示AFeI FANDs能够被细胞快速摄取（图2a, b）。同时，AFeI FANDs能在细胞内部产生多种自由基（图2d-f），结合图1l的结果，证明AFeI FANDs能够引发包含•O₂-、•C、•OH、•LOO和¹O₂在内的五重自由基风暴。

图2. 4T1肿瘤细胞和HeLa肿瘤细胞的细胞摄取和细胞内自由基生成验证。

同时AFeI FANDs能够在细胞内部实现多位点杀伤，包括线粒体损伤、DNA损伤（细胞核）以及细胞膜上的脂质过氧化物积累（图3b, c, d）。此外，AFeI FANDs在常氧和乏氧条件下对4T1和HeLa细胞均有明显的浓度依赖性杀伤能力（图3e和3f）。经808激光照射后，肿瘤细胞对自由基诱导的氧化应激更加敏感，AFeI FANDs表现出更高的细胞毒性。

图3. AFeI FANDs的多位点细胞毒性。

在这项工作中，该团队对AFeI FANDs在4T1皮下肿瘤小鼠体内的滞留能力以及体内分布情况进行了观测。尾静脉注射AFeI FANDs 108小时后，其在肿瘤部位的荧光信号仍然异常明显，而注射游离ICG分子24小时后，小鼠体内荧光强度显著减少（图4a）。此外，体内实验进一步验证了AFeI FANDs出色的肿瘤抑制能力（图4f），并能够在肿瘤内部产生明显的ROS，并引发铁死亡（图4h）。

图4. AFeI FANDs在体内的生物分布及肿瘤抑制研究。

小结

受到全活性纳米药物（FAND）新概念以及青蒿素衍生物作为自由基生成剂再利用的启发，该工作首次将临床使用的青蒿素衍生物ARTE、人体必需铁离子Fe³⁺和FDA批准的近红外荧光剂ICG自组装并应用于乏氧肿瘤治疗。AFeI FANDs能够在细胞内部产生五重自由基风暴，这不仅增强了ROS治疗的效果和安全性，还为制备新一代具有完全活性药物成分的纳米平台提供了新方案。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Quintuple Free-Radical Therapy: An Ultralong-Retention FAND for NIR-Involved Multiple Site-Acting Hypoxic Tumor Therapy

Chuang Zhang, Dongxu Zhao, Fang Fang, Lin Zhu, Weiyu Li, Sa Wang, Yueyun Fan, Jiani Yang, Yanhong Liu, Jinfeng Zhang*

Adv. Funct. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adfm.202401840

通讯作者简介

张金凤：北京理工大学生命学院研究员，博士生导师，独立课题组长，国家级青年人才；主要研究方向为纳米医药及疾病诊疗应用；相关研究成果已发表高水平学术论文60余篇，其中以通讯/第一作者在Nature Communications，ACS Nano，Nano Letters，Advanced Functional Materials及Advanced Science等国际顶级期刊上发表SCI论文40余篇，论文被引4700余次（H-因子42）；已申请/授权国家发明专利10余项（其中2项已获转让）、申请/授权美国发明专利2项；撰写英文专著章节2部；承担国家自然科学基金面上项目、青年项目以及北京市自然科学基金等项目10余项；入选北京市科协青年托举人才（2021）、英国皇家化学会J. Mater. Chem. B期刊新锐科学家（2023）、中国生物物理学会纳米生物学学会优秀青年学者奖（2023）、北京市科协创先争优科技工作者代表（2023）；指导本科生参加各类创新创业竞赛，获国家级奖1项、省部级奖3项；荣获第十五届北京理工大学“我最喜爱的老师”称号（2020）；并获北京电视台人物专题报道（2024）。现担任中国感光学会青年理事、北京理化分析测试技术学会核酸适配体交叉技术分会理事及Exploration、Scientific Reports、Nano-Micro Letters、Asian Journal of Pharmaceutical Sciences及VIEW等多个国际期刊的编辑或青年编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/75576