中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等提出低溫光熱腫瘤治療新思路

光熱治療（Photothermal therapy，PTT）作為一種腫瘤光學(xué)治療策略，通過將光能轉(zhuǎn)化為熱能，可以有針對性地在局部殺死癌細(xì)胞，在惡性腫瘤治療方面具有微創(chuàng)、長效、安全等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。然而強(qiáng)激光（局部溫度到達(dá)50℃）在破壞腫瘤的同時可能導(dǎo)致腫瘤附近正常器官被灼傷。控制治療溫度不會引起正常組織損傷但治療效果不理想。如何實現(xiàn)較低溫度下（小于42℃）進(jìn)行光熱治療（Mild-temperature PTT）對于癌癥光學(xué)治療的未來臨床轉(zhuǎn)化具有重要價值。熱休克蛋白（Heat shock proteins，HSP）是一種在細(xì)菌和哺乳動物體內(nèi)廣泛存在的一類熱應(yīng)急蛋白。當(dāng)生物體暴露于高溫時會合成此種蛋白以保護(hù)自身。因此，在光熱治療過程中抑制熱休克蛋白的合成能夠降低腫瘤細(xì)胞的耐熱性，從而提升腫瘤光熱治療的效果并降低治療所需要的溫度，達(dá)到腫瘤低溫光熱治療的目的。

傳統(tǒng)抑制熱休克蛋白合成的方法主要通過化學(xué)小分子抑制劑（如藤黃酸、17-AAG、JG-98等）或siRNA等方法實現(xiàn)。但是大多數(shù)化學(xué)小分子抑制劑往往水溶性差、毒性大，而siRNA往往遞送效率低且自身不穩(wěn)定，限制了這些方法在低溫光熱治療過程中的應(yīng)用。科研人員長期致力于尋找更有效的熱休克蛋白抑制策略，用于提高腫瘤低溫光熱治療效果。

氣體治療（Gas Therapy）作為一種新興治療策略，在腫瘤治療中逐漸受到重視。許多治療氣體如一氧化碳、一氧化氮、硫化氫、氧氣和二氧化硫在細(xì)胞、組織或有機(jī)體的各種生理過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用，因此在應(yīng)對包括癌癥在內(nèi)的各種疾病治療中顯示出巨大潛力。然而，從未有報道利用氣體調(diào)控?zé)嵝菘说鞍讈碓鰪?qiáng)腫瘤低溫光熱治療效果。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)藥與技術(shù)研究所研究員蔡林濤團(tuán)隊與香港科技大學(xué)/香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠團(tuán)隊等合作，在前期研究基礎(chǔ)上（ACS Nano 2020，14，9，11452-11462），利用羰基鐵合成了一種新型兩親性治療氣體載體材料（mPEG（CO）），通過與具有近紅外二區(qū)發(fā)射的AIE聚合物光熱材料進(jìn)行共組裝，構(gòu)建了一種腫瘤微環(huán)境觸發(fā)的AIE納米載藥系統(tǒng)（AIE納米炸彈）。當(dāng)納米炸彈與腫瘤微環(huán)境中過表達(dá)過氧化氫相遇，會迅速釋放一氧化碳?xì)怏w，所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w不僅可以一定程度抑制腫瘤細(xì)胞的快速增殖，在利用AIE材料進(jìn)行光熱治療過程中，還可以有效抑制熱休克蛋白的過表達(dá)，從而提高腫瘤低溫光熱治療的效果。

在該研究中，研究人員使用十二羰基三鐵和巰基聚乙二醇（mPEG2000 SH）合成了聚合物載體材料mPEG（CO），并進(jìn)一步將mPEG（CO）與AIE聚合物材料PBPTV共組裝，形成直徑約71nm的納米雜化聚集體（PBPTV@mPEG（CO））。該聚集體在808nm激光的激發(fā)下，可發(fā)射強(qiáng)烈的近紅外熒光，光譜可拖尾進(jìn)入近紅外二區(qū)波段。此外，該聚集體具有高達(dá)38.1%的光熱轉(zhuǎn)化效率。進(jìn)一步研究表明，過氧化氫（H2O2）的存在可觸發(fā)納米雜化聚集體如炸彈爆炸般在局部范圍短時間內(nèi)釋放大量的一氧化碳?xì)怏w。

▲圖1 （A）納米炸彈水溶液的紫外吸收光譜（藍(lán)色）和熒光發(fā)射光譜（紅色）；（B）通過TEM和DLS測量出納米炸彈的粒徑。比例尺100 nm；（C）納米炸彈的EDS元素分析。比例尺50nm；（D）在808nm近紅外激光下，熱成像相機(jī)記錄的納米炸彈溶液升溫曲線。實驗結(jié)果表明納米炸彈具有穩(wěn)定的顆粒性質(zhì)及優(yōu)良的光熱性能

▲圖2 （A）紫外光譜曲線變化揭示經(jīng)還原血紅蛋白測試的納米炸彈溶液中CO的釋放過程；（B）共焦熒光顯微鏡成像癌細(xì)胞和正常細(xì)胞中CO的表達(dá)。比例尺10mm。實驗結(jié)果表明納米炸彈能夠響應(yīng)過表達(dá)的過氧化氫并釋放CO氣體

進(jìn)一步細(xì)胞實驗表明，當(dāng)將該納米聚集體分別與腫瘤細(xì)胞、正常細(xì)胞共孵育后進(jìn)行低溫光熱治療，僅在腫瘤細(xì)胞存在的情況下釋放一氧化碳?xì)怏w，而在正常細(xì)胞存在的情況下并不釋放。腫瘤細(xì)胞的增殖得到有效抑制。免疫印跡分析結(jié)果表明，當(dāng)納米聚集體存在時，低溫光熱處理的腫瘤細(xì)胞中的熱休克蛋白表達(dá)水平得到極大抑制。研究結(jié)果表明，腫瘤細(xì)胞中過量表達(dá)的過氧化氫促進(jìn)了納米聚集體中一氧化碳?xì)怏w的釋放，從而抑制熱休克蛋白的合成，降低了腫瘤細(xì)胞的耐熱性，從而提升了腫瘤低溫光熱治療的效果。而正常細(xì)胞由于熱休克蛋白表達(dá)過程不受影響，因此避免了光熱治療對其造成的損傷。為進(jìn)一步證實該策略的臨床轉(zhuǎn)化潛力，研究人員開展了初步小動物實驗，結(jié)果表明，注射了PBPTV@mPEG（CO）納米聚集體的小鼠在低溫光熱治療下，腫瘤生長得到極大抑制。免疫熒光成像結(jié)果表明，腫瘤部位的熱休克蛋白表達(dá)受到極大抑制。治療過程中小鼠體重沒有明顯變化，血液生化指標(biāo)顯示正常，說明了該納米聚集體在提高腫瘤低溫光熱治療的轉(zhuǎn)化潛力。

綜上所述，該研究開發(fā)了新型AIE納米氣體藥物遞送系統(tǒng)，首次提出基于一氧化碳?xì)怏w抑制熱休克蛋白的獨(dú)特策略，為腫瘤低溫光熱治療提供了新思路。目前，研究團(tuán)隊正進(jìn)一步探索一氧化碳?xì)怏w抑制熱休克蛋白表達(dá)的分子機(jī)制，該研究有助于氣體治療的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并為腫瘤低溫光熱治療提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“H2O2-Responsive NIR-II AIE Nanobomb for Carbon Monoxide Boosting Low-Temperature Photothermal Therapy”為題，在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（DOI：10.1002/anie.202207213）上。研究工作得到中國科技部政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項及合成生物學(xué)專項、國家自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究項目等的支持。