首页 > 行业资讯 > 东南大学梁高林教授课题组 JACS：“凋亡放大组装”策略用于口腔癌的自增强光动力治疗

东南大学梁高林教授课题组 JACS：“凋亡放大组装”策略用于口腔癌的自增强光动力治疗

时间：2023-04-18 来源：浏览：

东南大学梁高林教授课题组 JACS：“凋亡放大组装”策略用于口腔癌的自增强光动力治疗

X-MOL资讯化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

点击蓝字关注我们

作为一种颇有前景的新兴技术，光动力治疗相较于传统的手术治疗及化疗方式具有高空间选择性的优势。但通常用于肿瘤光动力治疗的光敏剂分子往往水溶性较差且肿瘤选择性不足，从而极大制约了光动力治疗的疗效。针对这一科学问题， 东南大学梁高林 教授课题组首次提出了一种“ 3A ”策略（即： A poptosis- A mplified A ssembly， 凋亡放大组装 ）， 设计了基于凋亡蛋白酶循环激活的智能多肽-卟啉分子Ac-DEVDD-TPP，实现了对口腔癌的自增强光动力治疗 （图1）。

图1. Ac-DEVDD-TPP分子实现凋亡放大组装的作用机制及其在细胞内实现自增强光动力治疗的作用路线

如图1a所示，该分子包含两部分，即凋亡蛋白酶半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）的多肽底物DEVD和具有自组装以及光动力能力的苯基卟啉结构。这种结构可以在Caspase-3的作用下，生成D-TPP分子，实现自组装过程并增强光动力效果。Ac-DEVDD-TPP分子进入肿瘤细胞后，经光/药物诱导产生的Caspase-3识别并切割其底物序列DEVD生成D-TPP分子；D-TPP能够自组装形成D-TPP纳米纤维并聚集在线粒体周围；在激光照射下，D-TPP纳米纤维可产生更多的单线态氧、诱导细胞更深度凋亡、激活产生更多的半胱氨酸蛋白酶-3、从而实现凋亡放大组装的进程（图1b）。这种循环放大机制大大增强了癌细胞的凋亡过程，实现了肿瘤的增强光动力治疗。研究中发现，Ac-DEVDD-TPP分子在促进口腔癌细胞凋亡的同时还能够激活细胞焦亡通路，从而实现口腔癌细胞的协同高效杀灭。动物实验结果表明，该“ 3A ”策略对口腔癌的皮下和原位模型均具有显著增强的光动力治疗效果。

首先，作者体外验证了Ac-DEVDD-TPP分子的酶切响应作用及产生的D-TPP分子的自组装性能（图2）。Ac-DEVDD-TPP分子展示出了较好的水溶性，通过高效液相色谱与透射电子显微镜的结果验证，在Caspase-3的作用下，Ac-DEVDD-TPP分子可以有效生成D-TPP分子；之后，酶切形成的D-TPP分子可组装成均匀的纳米纤维结构（直径约22.1 nm），圆二色谱证实了该纳米纤维呈现类似β转角的二级结构；此外，作者进一步证明了D-TPP纳米纤维具有最强的单线态氧生成能力。

图2. Ac-DEVDD-TPP分子的酶切验证及D-TPP纳米纤维结构及性能检测

另外，作者测定了Ac-DEVDD-TPP分子的内吞作用及细胞定位（图3）。由于良好的水溶性，Ac-DEVDD-TPP相较于商品化四羧基苯基卟啉分子（TCPP）展示出了显著增强的肿瘤细胞摄取能力；化疗药物顺铂（CDDP）预处理口腔鳞状细胞后（即大量活化的Caspase-3分布在细胞中），AC-DEVDD-TPP的细胞器定位由溶酶体转变为线粒体，为其光动力效果能够更好的促进细胞凋亡提供了基础。

图3. Ac-DEVDD-TPP分子的细胞内吞及细胞器定位测定

随后，作者在细胞层面对凋亡放大组装进行了阐释与验证（图4）。利用Ac-DEVDD-TPP（酶切响应序列）和Ac-DEDVD-TPP（酶切不响应序列）对不同条件下的细胞活性进行评估，Ac-DEVDD-TPP组在激光照射下展示出了比其混乱序列Ac-DEDVD-TPP分子更强的细胞杀伤作用，证实了Ac-DEVDD-TPP的凋亡放大的光动力效果；生物透射电子显微镜可以有效观察到Ac-DEVDD-TPP中卟啉纳米纤维的线粒体分布；添加Caspase-3抑制剂后，细胞内卟啉荧光信号减弱，证明了Caspase-3显著影响D-TPP纳米纤维的形成，影响了材料的滞留能力，同时降低了在光照处理后Ac-DEVDD-TPP的产单线态氧的能力。相较于混乱序列Ac-DEDVD-TPP分子组，Ac-DEVDD-TPP组展示出了4.9倍的细胞内单线态氧生成能力，同时显著提高了细胞内激活Caspase-3的含量，显著证明了凋亡放大组装增强光动力效果。

图4. Ac-DEVDD-TPP分子在细胞实现凋亡放大组装的过程示意图及相关参数测定

作者发现，在Ac-DEVDD-TPP实现自放大的光动力治疗过程中，产生的大量活性氧可以促进细胞焦亡（图5）。大量的单线态氧会刺激半胱氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）的活化，从而刺激消皮素D（GSDMD）孔道的形成；同时，活化的Caspase-1还可以促进白介素1β （IL-1β）和白介素18（IL-18）的熟化，并使细胞核解体，释放乳酸脱氢酶（LDH）。利用扫描电子显微镜，在Ac-DEVDD-TPP组中观察到明显分布在细胞表面的焦亡小体。同时，通过酶联免疫吸附ELISA试验，证实了Ac-DEVDD-TPP自放大的光动力治疗作用可以极大的促进上述5种指标的提升，充分证明了促细胞焦亡作用。

图5. Ac-DEVDD-TPP分子的促细胞焦亡作用

作者通过构建小鼠皮下瘤模型，验证了Ac-DEVDD-TPP分子的自增强光动力作用（图6）。实验发现，使用顺铂（CDDP）预处理的小鼠在注射Ac-DEVDD-TPP并施加激光照射后显示出了最佳的肿瘤抑制效果；原位末端凋亡法（TUNEL）染色及苏木精伊红染色（H&E）也显示出了最优的促进肿瘤凋亡及肿瘤杀伤作用；免疫荧光染色结果进一步证明了组织中激活的Caspase-3的显著提升作用。

图6. Ac-DEVDD-TPP在小鼠皮下瘤模型中的自增强光动力治疗效果

最后，作者构建了小鼠口腔癌原位模型，进一步验证Ac-DEVDD-TPP分子在原位瘤中的自增强光动力作用（图7）。与皮下瘤呈现的结果类似，在连续观察30天中，使用顺铂预处理的小鼠在Ac-DEVDD-TPP光动力治疗后显示出了最佳的原位肿瘤治疗效果；免疫荧光染色技术证实了Ac-DEVDD-TPP分子极佳的促凋亡与促焦亡能力，充分证明了该团队提出的“ 3A ”策略用于自增强光动力治疗的有效性。

图7. Ac-DEVDD-TPP在口腔癌原位瘤模型中的自增强光动力治疗效果

该工作提出了一种智能的“ 3A ”凋亡放大组装（Apoptosis-Amplified Assembly）策略，设计了基于凋亡蛋白酶循环激活的多肽-卟啉分子Ac-DEVDD-TPP，实现了增强口腔鳞状细胞癌的自增强光动力治疗。该方法充分体现出了自放大策略的优势，通过凋亡扩增卟啉纳米纤维的组装，为今后设计分子药物及纳米药物提供了新思路。

相关研究成果以 ” Apoptosis-Amplified Assembly of Porphyrin Nanofiber Enhances Photodynamic Therapy of Oral Tumor “为题，发表在 Journal of the American Chemical Society 上，东南大学生物科学与医学工程学院博士生 刘筱阳 为该论文的第一作者，东南大学首席教授/生物电子学国家重点实验室副主任 梁高林 教授为唯一通讯作者，东南大学为第一通讯单位，该研究得到了国家自然科学基金重点项目和江苏省研究生科研与实践创新计划的资助。

原文链接

https://doi.org/10.1021/jacs.2c13189

相关进展

中国科大梁高林教授团队Angew：组织蛋白酶B触发的近红外纳米粒子自组装用于肿瘤光声成像

中国科大梁高林教授课题组与中山大学谭家莉教授团队合作在牙周骨组织原位再生研究中取得重要进展

中国科大梁高林教授课题组和王育才教授课题组：新方法合成共轭聚合物用于肿瘤的光热治疗

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：chem@chemshow.cn