原创 任劲松课题组
背景介绍
一氧化氮(NO)作为一种生物信使分子，在心血管稳态、神经传递、伤口愈合和对病原体的免疫应答等生物学过程中发挥着重要作用。NO对生理过程的影响遵循浓度依赖的方式。其中，低水平的NO参与多种生物信号通路，而高水平的NO可以引起蛋白的亚硝基化或硝化，进而诱导细胞凋亡。鉴于此，在感兴趣的部位产生高水平的NO是一种很有前景的疾病治疗策略，特别是对于肿瘤治疗。到目前为止，已经提出一些NO生产策略并探索其潜在的抗肿瘤应用。例如，一些有机供体被设计成响应外源性或内源性刺激而释放NO。但是，供体的不稳定性和有毒副产物的产生极大地限制了它们的进一步应用。受L -精氨酸(L-Arg)作为生物合成内源性NO的天然供体的启发，开发出了多种基于L-Arg的NO生成纳米系统。在这些纳米体系中，L-Arg可被多种活性氧(ROS)氧化生成NO。尽管付出了巨大的努力，目前这些策略的发展仍无法区分正常细胞和癌细胞。意外脱靶引起的不可预测的毒性也是长期困扰研究人员的问题。因此，选择性催化L-Arg在肿瘤细胞中产生致命浓度的NO是迫切而又具有挑战性的。
研究方法
线粒体作为细胞中不可或缺的亚细胞器，在能量生产、核苷酸合成和细胞信号转导等多种代谢活动中发挥着重要作用。此外，线粒体与细胞凋亡密切相关。因此，它们已经成为癌症治疗的重要靶点。此外，在肿瘤细胞中，由于代谢模式的改变，线粒体往往表现出一些与正常细胞不同的特征，如跨膜电位较高，ROS生成增加。这些差异为癌细胞的选择性损伤提供了新的机会。合理利用这些差异，精确靶向癌细胞的线粒体，可以减少治疗系统对正常组织的不良影响。最近的研究结果表明，相较于正常细胞，一氧化氮合成酶(NOS)在癌细胞线粒体中过表达。在O2存在下，NOS能有效催化L-Arg产生NO。
成果简介
任劲松团队设想特异性的在肿瘤细胞线粒体中将L-Arg转化成NO，可以达到选择性抗癌的效果，并减少NO治疗系统对正常组织的损伤。因此设计并构建了特异性靶向癌细胞线粒体的NO产生器用于选择性的癌细胞杀伤。该体系首先合成出中空二氧化铈纳米粒子，通过修饰羧酸三苯基膦（TPP-COOH）以及负载L-Arg构建CeO2-AT纳米粒子。该体系可以靶向运输L-Arg至癌细胞线粒体，在线粒体过表达的NOS催化作用下产生大量NO，扰乱肿瘤细胞线粒体呼吸链，诱导其凋亡。此外，由于二氧化铈纳米粒子具有类过氧化氢酶活性，可以催化H2O2产生O2，在氧气的存在下进一步促进NO的生成，实现增强的NO治疗。由于正常细胞线粒体NOS表达有限，催化产生的低浓度NO不会对其活力造成显著影响。因此这一体系可以实现肿瘤细胞的选择性杀伤，且具有良好的生物安全性。
图文导读
图1 CeO2-AT纳米颗粒的(a)合成过程和(b)治疗机制示意图。
图2 CeO2-AT纳米颗粒的表征。(a) CeO2、CeO2- T和CeO2- AT纳米粒子的XRD谱图。(b) CeO2-AT纳米颗粒的TEM图像。比例尺:50 nm。(c) CeO2-AT纳米颗粒的粒径分布。(d) CeO2-AT纳米颗粒的XPS分析。(e) CeO2-AT纳米颗粒的暗场TEM图像及Ce L-edge、O K-edge、N K-edge、P K-edge和合并信号的EDS映射。比例尺:50 nm。
图3 （a）CeO2, CeO2-T, CeO2-AT纳米颗粒在4T1细胞中的亚细胞共定位图像。比例尺:50 μm。(b)分别用L-Arg、CeO2-T和CeO2-AT纳米颗粒处理4T1细胞后NO的相对生成情况。(c) 4T1细胞经不同处理后的细胞毒性。
图4 活体治疗(a)第14天解剖肿瘤的照片。(b)各种治疗后肿瘤相对体积的变化。(c)各种治疗后第14天的肿瘤重量。（d）治疗后肿瘤部位的H&E染色。