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Controllable Regulation of Ag2S Quantum-Dot-Mediated Protein Nanoassemblies for Imaging-Guided Synergistic PDT/PTT/Chemotherapy against Hypoxic Tumor

Mengjie He【何梦洁】, Ziyi Cheng【程子译】, Zhenkai Wang【王振凯】, Min Li【李敏】, Huixian Liang【梁慧娴】, Heng Liu【刘恒】, Lijuan Yu【于丽娟】, Linlu Zhao【赵琳璐】, Fabiao Yu【于法标】

First published: 12 June 2023

 https://doi.org/10.1002/adhm.202300752

Abstract

The combination of phototherapy and chemotherapy holds great potential for cancer treatment, while hypoxia in tumor as well as unexpected drug release largely restricts anticancer therapy. Inspired by the natural intelligence, herein, for the first time, a “bottom-up” protein self-assembly strategy mediated by near-infrared (NIR) quantum dots (QDs) with multicharged electrostatic interactions is presented to develop a tumor microenvironment (TME)-responsive theranostic nanoplatform for imaging-guided synergistic photodynamic therapy (PDT)/photothermal therapy (PTT)/chemotherapy. Catalase (CAT) possesses diverse surface charge distribution under different pH conditions. After modification by chlorin e6 (Ce6), the formulated CAT–Ce6 with patchy negative charges can be assembled with NIR Ag2S QDs by regulating their electrostatic interactions, allowing for effective incorporation of specific anticancer drug oxaliplatin (Oxa). Such Ag2S@CAT–Ce6@Oxa nanosystems are able to visualize nanoparticle (NP) accumulation to guide subsequent phototherapy, together with significant alleviation of tumor hypoxia to further enhance PDT. Moreover, the acidic TME triggers controllable disassembly through weakening the CAT surface charge to disrupt electrostatic interactions, allowing for sustained drug release. Both in vitro and in vivo results demonstrate remarkable inhibition of colorectal tumor growth with a synergistic effect. Overall, this multicharged electrostatic protein self-assembly strategy provides a versatile platform for realizing TME-specific theranostics with high efficiency and safety, promising for clinical translation.

结直肠癌（Colorectal cancer ，CRC）在发病率方面排名第三，但在死亡率方面排名第二，已经成为全世界的主要疾病负担之一。传统的CRC治疗方法，如手术和化疗，对身体造成过度损害或不可避免的副作用，当CRC转移到其他器官时，五年的生存率只有12%。最近，光疗包括光动力疗法 (Photodynamic therapy，  PDT)和光热疗法（Photothermal therapy，PTT）与化疗的结合在癌症治疗方面有着巨大的潜力，然而肿瘤中的缺氧以及药物的意外释放，光疗的最佳时间窗口都在很大程度上限制了光疗协同化疗的抗癌疗效。

“自下而上”的自组装纳米技术的发展提供了一种有效的手段，将多个组分组织到整个纳米系统中，以建立高度有序的结构。与传统的封装型纳米载体相比，功能基团的直接自组装可以有效减少非功能分子的引入，进一步提高生物安全性增加临床转化的潜力。分子自组装中静电相互作用因其出色的远程动态可逆特性而被广泛运用。然而，单电荷静电组合通常是脆弱和不稳定的，特别是在复杂的体内条件下。相比之下，多电荷驱动的静电组装不仅保留了超分子组装的动态可控性，而且还保持了相当的稳定性，适合于生物医学应用。特别是，特定的TME（较低的pH值）和正常生理环境之间的差异为实现生物大分子如蛋白质的可控调节提供了机会，这主要是由蛋白质表面电荷在不同pH值条件下的变化引起的。同时，静电相互作用的可逆性可能会导致组装体对特定刺激（如酸性TME）的解离，这可能有助于实现药物的可控释放。目前，大多数关于CAT蛋白的研究只关注其催化产氧能力上，而对CAT表面电荷与生理和病理微环境之间相关性的调查却很少报道，这对静电组装和调节具有重要意义。另一方面，荧光QDs由于其配体可调节的特性，能够产生多电荷效应，从而使其成为驱动蛋白质静电组装的有前途的底物。因此，迫切需要开发基于多电荷静电相互作用的TME响应性蛋白纳米组合体，以实现有效的成像引导的联合治疗抑制肿瘤。

为了解决上述问题，海南医学院海南省生物材料与医疗器械工程研究中心于法标教授/赵琳璐副教授团队联合海南医学院附属肿瘤医院于丽娟教授团队开发了一种基于多电荷静电自组装策略的智能近红外QDs介导的蛋白质纳米系统（Ag₂S@CAT-Ce6@Oxa），通过多价静电相互作用将具有荧光成像兼具良好光热效应的硫化银量子点（Ag₂S QDs），光敏剂二氢卟吩（Ce6）,催化产氧剂过氧化氢酶(CAT)，结肠癌一线化疗药物奥沙利铂（Oxa）组装而成，能够特异性地响应肿瘤微环境(TME)，能够很好的实现基于成像的协同光动力/热疗/化疗(图1)。该工作以“Controllable regulation of Ag₂S quantum dots-mediated protein nanoassemblies for imaging-guided synergistic PDT/PTT/chemotherapy against hypoxic tumor”为题在线发表于杂志Advanced Healthcare Materials（DOI: 10.1002/adhm.202300752）

图1. Ag₂S@CAT-Ce6@Oxa NPs的组装构建及体内TME解组装的成像引导的PDT/PTT协同化疗的示意图

【文章要点】

1、Ag₂S@CAT-Ce6@Oxa NPs组装体的构建：首先合成Ag₂S QDs功能基元，并对其表面进行多氨基修饰，光敏剂Ce6与CAT进行共价修饰获得表面具备多价负电荷基元CAT-Ce6，最后与Oxa不断优化条件共组装形成Ag₂S@CAT-Ce6@Oxa NPs，离子浓度为（50 mM PBS，pH = 7.4）时，TEM及动态光散射表明组装体为80 nm ~ 100 nm，有良好的稳定性，并有效负载了结肠癌一线化疗药物Oxa。Oxa作为配体可以有效地结合到CAT上的VAL 55、SER 337、MET 339和ALA 345残基，分子对接模型为药物Oxa参与组装体稳定构建的结合模式提供了有力的解释。