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引言

肿瘤相关的疾病具有高发病率、高死亡率、高变异性的特点。肿瘤的早期诊断有利于疾病的治愈，但是传统的肿瘤治疗方法效果较差，耐药性和副作用非常棘手且亟待解决。针对这一问题，来自西班牙瓦伦西亚理工大学、西班牙巴伦西亚费利佩王子研究中心等多家院所的研究团队联合在Nanomaterials 发表了文章，研究报道了一种基于树突状介孔二氧化硅纳米颗粒 (DMSNs) 的基因导向酶前药物治疗 (GDEPT) 系统 (图1)，成功减少了GDEPT的副作用并改善了其药代动力学过程。研究结果为抗肿瘤基因的导向酶前药治疗提供了参考。

图1. GDEPT系统的作用机制示意图。

研究材料与方法

实验中采用的化学材料包括：β-半乳糖苷酶 (β-Gal)、l-谷胱甘肽还原 (GSH)、正硅酸四乙酯 (TEOS)、三乙醇胺 (TEAH3)、丙酮、乙腈、二氯甲烷、磷酸氢二钠、青霉素和链霉素等。表征方法包括：基于JEOL JEM-1010仪器的透射电子显微镜 (TEM) 表征，采用AXS D8 Advance衍射仪实现粉末X射线衍射 (PXRD)，基于ZetaSizer Nano ZS仪器的动态光散射 (DLS) 分析，利用TGA/SDTA 851e天平对材料进行热重测量，采用BET模型计算各样品的比表面积，基于BJH模型确定孔隙大小和体积，使用FP-8500光谱仪记录光谱荧光测量数据，基于Wallac 1420 Victor2 Microplate Reader进行细胞活力研究。此外，研究还详细介绍了DOXO-Gal、树突状介孔二氧化硅纳米颗粒 (DMSNs) 以及DOXO-Gal@DMSN-PEG混悬液的制备方法。

研究结果

研究详细介绍了DOXO-Gal的合成路径，此外β-Gal的酶促作用还将导致DOXO-Gal释放阿霉素，进而促进DOXO-Gal中O-糖苷键的酶裂解 (图2)。

图2. β-Gal酶促作用后DOXO释放的机理示意图。

将制备得到的DMSNs加载DOXO-Gal时，二氧化硅表面首先与MPTMS反应，然后与双吡啶二硫化物反应，最后与甲氧基PEG巯基 (PEG-SH) 反应得到DOXO-Gal@DMSN-PEG (图3)。本研究使用DMSN来容纳DOXO-Gal分子，选用PEG-SH作为门控，这是由于目前的研究显示，PEG-SH的链长为4.5 nm，足以覆盖DMSNs的孔隙，该门控还能够允许在高浓度的谷胱甘肽情况下释放细胞中的物质，进而导致二硫键断裂。研究还测试了装载[Ru(bpy)₃]Cl₂ (估计直径约1.2 nm) 的类门控固体和未装载门控电池DMSN-PEG纳米颗粒。

图3. DOXO-Gal@DMSN-PEG的制备流程示意图。

实验对纳米颗粒进行了表征，PXRD分析结果显示：DMSN中不存在低角度峰，说明介孔颗粒的孔隙分布无序；TEM显微图像显示：直径约为110 nm的球形纳米颗粒中存在树突状多孔结构；DLS测定结果显示：DMSN样品的中心直径为170 nm，DOXO-Gal@DMSN-PEG和DMSN-PEG的流体动力学直径分别为225 nm和223 nm。DSL结果观测到的尺寸略大于TEM，其原因是聚乙二醇聚合物的功能化促进了聚合物周围溶剂化层的增加，使得流体动力学直径增加。由于DOXO-Gal@DMSN-PEG在水中的溶解度较低，因此研究还使用谷胱甘肽模拟细胞中存在的还原环境 (该环境导致二硫键破裂，实现阿霉素的释放)，进而证明Rubpy@DMSN-PEG中PEG门控维持未释放物质的能力，研究结果表明：PEG聚合物具有堵塞孔隙的能力 (图4)。

图4. (a) 不存在和 (b) 存在10µM GSH时，[Ru(bpy)₃]²⁺从Rubpy@DMSN-PEG的释放剖面结果。

作者团队还将DOXO-Gal、DOXO、β-Gal和β-Gal+DOXO-Gal添加到LN18细胞培养物中，验证DOXO-Gal的无毒性以及β-Gal激活前药的能力，其结果表明：分别使用0.01、0.1和1 µM的DOXO-Gal处理细胞时没有发现毒性，而当细胞同时暴露于DOXO- Gal和β-Gal时细胞活力下降；在较低浓度下，β-Gal+DOXO-Gal的毒性高于DOXO。

实验还研究了转染细胞激活前药的能力：转染细胞和未转染细胞分别用游离DOXO-Gal、DMSN-PEG和DOXO-Gal@DMSN-PEG处理，此外利用游离DOXO-Gal作为对照组来确定DOXO-Gal@DMSN-PEG的效率，并利用相同浓度的DMSN-PEG来验证纳米载体的生物相容性。如图5所示，未转染的细胞几乎不表现出对相关处理的敏感性，并且其存活率不低于90%；由于脂质体转染产生了基础毒性，转染但未处理细胞的存活率则下降了约15%。与对照组相比，DMSN-PEG处理的细胞没有受到影响，而采用游离DOXO-Gal或DOXO-Gal@DMSN-PEG处理的转染细胞的活性显著降低 (图5)。

图5. (A) 未转染 (a, b) 和转染 (c, d) 的LN18细胞X-Gal的光学显微镜图像；(B) 转染细胞 (灰色柱) 和未转染细胞 (黑色柱) 分别用不同浓度的游离DOXO-Gal、DMSN-PEG或DOXO-Gal@DMSN-PEG处理时的细胞毒性特征。

总结讨论

研究采用GDEPT方法，将前药物 (DOXO-Gal) 包封在树枝状分子状的MSN中后，添加含二硫醚的聚乙二醇，实现开发抗肿瘤细胞的基因导向酶前药治疗系统。该系统由巨细胞病毒启动子控制的质粒转染癌细胞组成，能够促进细菌基因CMV-lacZ中β-Gal的表达；此外DMSNs上装载了DOXO-Gal修饰的前药阿霉素，并用含二硫醚的聚乙二醇修饰，进入肿瘤细胞后通过还原环境诱导门控中的二硫键断裂，经由DOXO-Gal传递，再由β-Gal酶促进转化形成阿霉素，最终实现细胞的消杀。分析表明：在转染β-Gal的细胞中，双酶/DMSNs前药的联合处理相对于只具有DOXO-Gal修饰的前药处理更高效。研究结果为提高GDEPT治疗疗效开辟了新的视角。

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原文出自Nanomaterials 期刊

Candela-Noguera, V.; Vivo-Llorca, G.; Díaz de Greñu, B.; Alfonso, M.; Aznar, E.; Orzáez, M.; Marcos, M.D.; Sancenón, F.; Martínez-Máñez, R. Gene-Directed Enzyme Prodrug Therapy by Dendrimer-Like Mesoporous Silica Nanoparticles against Tumor Cells. Nanomaterials 2021, 11, 1298.

  Nanomaterials 期刊介绍

主编：Shirley Chiang, University of California Davis, USA

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

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特约撰稿人

赖寿强 博士研究生

厦门大学电子科学与技术学院

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