pH响应型协同增氧型纳米光敏剂的构建和其光动力治疗口腔癌的机制研究

Photodynamic therapy (PDT), an O2-dependent characteristic treatment for inhibition of cancer proliferation, often suffers from the shortage of O2 supplement, due to the hypoxic microenvironment in tumor cells. To overcome this obstacle, a drug delivery system with O2 self-sufficiency for effective PDT was developed. In this project we plan to prepare a hybrid enzyme nanomaterial containing metal cerium and hydrogen peroxide, which can maintain high oxygen content in the tummor cells, through the coordination of two kinds of enzyme. Via electrostatic interaction and hydrophobic interactions, our binary enzyme nanoparticles are made with cationic chitosan microspheres, hydrogen peroxide and cerium nanopartilces. Both in vitro and in vivo biological studies would be tested that the PDT efficacy in hypoxic tumor would be enhanced greatly via the continuous formation of cytotoxic singlet oxygen (1O2) under irradiation in the presence of O2 generation, resulting from the binary enzyme synergistic catalytic ability in the acidic environment. This work may open up a new pH-triggered strategy to quick overcome hypoxia of tumor for effective PDT against cancer cells.

(PDT)是一种有氧分子参与的光生物学反应，近年来已成为临床治疗浅表口腔癌的重要手段。但是光动力对氧高度依赖而肿瘤内部高度乏氧以及对光敏剂吸收度问题和光动力对氧依赖性限制了PDT的疗效，因此 PDT疗法亟需提高光敏剂的吸收及改善肿瘤缺氧环境。本项目拟制备含有金属纳米铈和过氧化氢还原酶的杂化酶纳米材料，以肿瘤细胞内活性氧为原料，通过两种酶的协同催化作用来持续维持细胞内高氧含量，以阳离子壳聚糖为基体，通过静电相互作用和疏水相互作用分别与阴离子过氧化氢还原酶和金属纳米铈复合构建二元酶纳米颗粒，借助二元酶的协同催化能力，在肿瘤细胞模型和动物模型上验证其增氧作用，并系统阐述二元酶的配比对材料在协同催化增氧的影响，实现光动力疗法对肿瘤细胞高效抑制，并从分子生物角度研究其对缺氧和凋亡通路的调控。本项目的系统研究将有助于丰富增氧材料在生物领域的应用，发挥医工结合的特点，为临床光动力治疗提供新工具和新方向。

光动力治疗(Photodynamic therapy，PDT） 是指将光敏剂导入靶组织内，通过光源激发产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）基团，进而特异性杀伤靶组织的疗法。PDT 是一种非侵入性疗法，具有靶向性强，组织选择性好的优点，能够在光照区域内对靶组织和靶器官产生 特异性较高的杀伤作用。PDT过程中产生的ROS 能够直接造成细胞内生物大分子和细胞器的破坏，并破坏肿瘤血管，引起抗肿瘤免疫应答。PDT的主要优点是选择性、不可逆的杀伤靶组织，通过光敏剂的选择性潴留和光照区域的可选择性，避免了周围的正常细胞的损害。但是，光动力治疗对氧高度依赖而肿瘤内部高度乏氧限制了PDT的疗效，因此 PDT疗法亟需改善肿瘤缺氧环境。因此，发展一个自供氧系统对克服肿瘤缺氧以增强PDT作用有潜在的临床应用价值。 . 基于我们之前的工作,我们设计合成了新型枝接含氟高分子和光敏剂二氢卟吩e6 (Chlorin e6, Ce6) 的壳聚糖(Chitosan, CS)，并通过静电吸附Catalase，合成了CAT-FC-Ce6纳米颗粒。利用肿瘤细胞内溶酶体的低pH值降解得到高浓度的光敏剂，我们的实验证实CAT-FC-Ce6纳米颗粒可以有效地促进过氧化氢酶进入细胞。通过体外实验对纳米光敏剂CAT-FC-Ce6的暗毒性，细胞摄取作用进行了评估，并通过测定单线态氧，活性氧（ROS）的产率来证明了其在乏氧环境中的增氧能力，验证了其可通过产生O2缓解肿瘤缺氧环境，实现增氧和靶向的双重PDT效果。通过荷瘤小鼠体内实验证明了纳米光敏剂CAT-FC-Ce6的靶向性及其介导的PDT有显著的治疗口腔癌的疗效。揭示增氧对光动力治疗口腔癌的辅助作用，并初步证实了了PDT过程中能促进了细胞的凋亡及抑制了缺氧诱导因子HIF1-ɑ的表达。本项目的系统研究丰富了增氧材料在生物领域的应用，发挥了医工相结合的特点，为临床光动力治疗提供了新工具和新方向。