【背景介紹】
在足夠的H2O2存在下，基於Fenton或Fenton樣反應的活性氧（ROS）生成的化學動力療法（CDT）為癌症治療提供了另一種機會。與其他癌症治療方法（例如化學療法，放射療法或光動力療法）相比，CDT具有更高的選擇性，並且可以被內源性刺激（例如酸度和H2O2）激活。該過程在一定程度上防止了正常組織的損傷，因為該反應在正常細胞的微環境中被有效地抑制了。儘管已經採用了許多策略來促進CDT的有效性，包括選擇/修飾納米材料和優化反應過程，但仍需要開發具有高效率產生ROS的新型化學動力學反應。不出所料，CDT期間高效的ROS產生可能帶來更好的治療效果；但是，它通常會增加損壞周圍正常組織的風險。因此，在治療過程中執行ROS生成的實時監控以進行精確給藥（例如精確的注射劑量或間隔）非常重要。
【文獻摘要】
在CDT中，迫切需要新穎的化學動力反應來提高活性氧（ROS）的產生效率，同時對ROS進行實時監測對於最大程度地降低CDT的毒副作用至關重要。先前，湖南大學宋國勝/新加坡南洋理工大學浦侃裔教授團隊開發了一種pH響應的化學發光和化學動力學系統（超分子Mn氧化物[MnOx]納米片-半導體聚合物納米顆粒[SPNs]）。相關論文Light-free Generation of Singlet Oxygen through Manganese-Thiophene Nanosystems for pH-Responsive Chemiluminescence Imaging and Tumor Therapy發表在《Chem》上。他們首次發現超薄MnOx納米片在酸性觸發下產生1O2的能力。值得注意的是，由MnOx產生的1O2可以替代光，並特別激發基於噻吩的SPN發出光子以用於近紅外化學發光成像，從而大大放大了1O2的產生。由於腫瘤內固有的酸性，MnOx-SPNs實現了針對實體瘤的可激活化學動力學療法。此外，比例化學發光/螢光成像能夠校準1O2的輸出，並在治療過程中實現對1O2產生的實時和原位實時監測。
【圖文解析】
組織開發了一種可激活的治療和監測系統，該系統由超薄MnOx納米片和SPN組成（示意圖1）。組織提出了超薄MnOx（（MnII）1（MnIII）3.4（MnIV）2.8O11.7）在酸性觸發下產生1O2的能力，這是一種新穎的化學動力學過程。通過篩選半導體聚合物，發現超薄MnOx納米片刺激了基於噻吩的SPN發出化學發光（CL）。在探索CL機理之後，組織發現MnOx產生的1O2與SPN中的噻吩單元反應，從而激發SPN發出近紅外（NIR）CL，從而進一步放大了1O2的產率。在腫瘤固有酸性的激活下，MnOx-SPNs系統在體內外取得了令人滿意的化學動力學治療效果。此外，CL /螢光（FL）的比例成像可以校準1O2的輸出，以便更準確地就地監測治療的化學動力學過程。
示意圖1. pH響應性1O2生成和CL的示意圖，以及按比例的CL/FL成像監測癌症治療
用於產生1O2的超薄MnOx納米片的合成
二維MnOx超薄納米片是通過用NaBH4直接還原KMnO4製備的（圖1A）。透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示出其超薄的片狀結構（圖1B），並通過原子力顯微鏡（AFM）測量了1.2 nm的厚度（圖1C）。所製備的MnOx可以很好地分散在DLS尺寸為25 nm的水中。射線光電子能譜（XPS）光譜表明MnOx納米片由MnII，MnIII和MnIV組成，比例為1：3.4：2.8（圖1D）。隨著pH值的降低，SOSG的螢光強度逐漸增加，表明酸性激活了1O2的產生（圖1E）。 MnOx與2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酮（TEMP）（在pH = 4.4中）的孵育產生典型的1：1：1峰值信號，表明生成了1O2。ESR信號增加，表明1O2的產率更高；此外，降低的GSH被用作1O2的清除劑，並顯著降低1O2的ESR信號（圖1F），這些數據證明MnOx在酸性環境中產生了1O2。為了深入了解產生1O2的機理，與那些用滅活的超氧化物歧化酶（SOD）或不使用SOD的MnOx相比，誘導了SOD，它可以減少MnOx產生的1O2的ESR信號（圖1G）。此外，1O2探針SOSG的FL隨著MnIII離子濃度的增加而增強，並且在延長孵育時間的情況下也出現了這種增強（圖1H）。
圖1.超薄MnOx納米片的表徵及其產生1O2的能力.
pH響應CL成像的SPN的篩選
有趣的是，組織發現超薄MnOx納米片可以刺激具有特定結構的SPN發出CL。在兩親性聚合物（聚（苯乙烯-馬來酸酐）[PSMA]）存在下，採用納米沉澱法將7種半導體聚合物分子轉化為水溶性納米顆粒（圖2A和2B）。在酸性條件下（pH = 4.4）將那些SPN與MnOx一起孵育，並在生物發光模式下（無激發）通過IVIS光譜成像系統收集CL信號。作者發現只有那些含有噻吩單體的SPN（例如PFODBT和TTFQx）才會顯示明顯的CL信號（圖2C）。令人驚訝的是，將MnOx與基於PFODBT的SPN在酸性（pH = 5.4）中孵育會立即產生強CL。僅從MnOx或SPN觀察到信號（圖2D）。此外，基於PFODBT的SPN與其他氧化底物或離子（ONOO-，H2O2，O2-·，·OH，Fe3+，Cu2+，Mn2+或S2- ）沒有產生明顯的CL發射（圖2E），表明MnOx和基於PFODBT的SPN之間的反應具有高特異性。從690-770和820-880 nm通道觀察到強發光，表明NIR發射波長（圖2F和2G），這與PFODBT的FL發射一致（圖3D）。此外，MnOx-SPNs系統表現出超靈敏的pH依賴性CL和FL發射（圖2H）。隨著pH值的降低，CL強度逐漸增強，同時FL排放量持續降低（圖2H和2I）。此外，MnOx-SPNs的CL半衰期長達半小時（圖2J和2K）。
圖2.用於pH響應CL成像的MnOx-SPNs系統
機理研究
圖3做了對照證明Mn對SPN的催化影響。（1）引發酸性時，從MnOx納米片中釋放MnIII離子以生成1O2。（2）在MnIII離子的催化作用下，1O2通過π2-π2環加成反應氧化了聚合物單元中的噻吩，形成了噻吩-二氧雜環丁烷中間體。（3）該中間體不穩定並自發降解並產生化學能。（4）化學能通過化學電子交換發光（CIEEL）過程從噻吩-二氧雜環丁烷中間體轉移到未氧化的半導體聚合物中。（5）激發的半導體聚合物同時產生持久的發光和大量的1O2。
圖3. MnOx-SPNs（PFODBT）系統的CL的機理研究
CL/FL排放與1O2產生之間的關係
作者用不同濃度的MnOx（0-100μg/mL）孵育了SPN，然後在活體動物成像系統中捕獲了它們的CL和FL圖像（圖4F）。正如預期的那樣，隨著MnOx濃度的增加，CL強度逐漸增加（圖4G），而FL強度連續下降（圖4H）。由於CL和FL的規則逆變化，CL/FL的強度比可進一步用於比率成像。有趣的是，CL/IFL的比例與MnOx濃度呈正相關（圖4I）。此外，更多的MnOx參與也導致更高的1O2水平（圖4J）。作者嘗試使用比率信號（CL/FL強度）來監視1O2的產生。在按照ICL/IFL的比例繪製1O2的產量後（圖4K），
圖4.用於增強的1O2生成的MnOx-SPNs（PFODBT）和與1O2相關的比例CL/FL
體外成像及化學動力學治療
在4T1細胞共聚焦圖像中，作者發現用MnOx-SPNs處理的那些細胞顯示出比單獨用MnOx和SPNs處理的那些細胞更強的SOSG螢光，這表明SPN仍可以促進癌細胞內MnOx產生1O2的能力。（圖5A）接下來，作者通過測量分別與SPN，MnOx或MnOx-SPNs孵育的4T1細胞和HeLa細胞的細胞生存力來測試其對癌細胞的抗癌活性（圖5B和5C）。作者發現，MnOx對癌細胞具有明顯的抑制作用，而僅用SPNs處理的細胞則未觀察到細胞毒性。值得注意的是，MnOx-SPNs對4T1細胞和HeLa細胞的抗癌活性均高於單獨的MnOx，這與由MnOx-SPNs引起的細胞ROS產生更多有關。
圖5.與體外抗癌作用相關的細胞ROS產生和CL/FL成像
MRI核磁成像
考慮到MnOx的MRI性能及其依賴於pH的降解特性，作者還研究了SPN激活的MnOx的MRI信號放大（橫向弛豫，1/T2）（圖6A）。此外，隨著pH值降低，MnOx-SPNs的1/T2逐漸升高（圖6E）。接下來，向瘤內注射4T1荷瘤小鼠的MnOx-SPNs（0.5mg/mL），並使用T2-MRI序列在不同的時間點進行掃描。隨時間推移，注射MnOx-SPNs的腫瘤區域逐漸變暗，表明MnOx-SPNs可以作為體內T2-MRI的pH響應對比劑（圖6F）。
圖6.用於可激活MRI的MnOx-SPN
體內癌症治療的可激活CL和比率CL/FL成像
由於在體外的優異CL性能，研究了該系統是否可用於體內CL成像。使用IVIS光譜成像系統（採集120 s）收集CL圖像（圖7A），並量化腫瘤的CL強度（圖7A）。重要的是，與僅用MnOx治療的腫瘤相比，MnOx-SPNs表現出更顯著的腫瘤生長抑制作用（圖7C和7D）。為了進一步驗證體內腫瘤損傷，在免疫螢光末端脫氧核苷酸轉移酶介導的dUTP-生物素缺口末端標記（TUNEL）染色和蘇木精和曙紅（H＆E）染色處理後24小時將腫瘤切片（圖7E和7F）。作者發現在PBS和SPNs注射的腫瘤中沒有出現明顯的凋亡信號和病理變化。
圖7.用於可激活CL成像和體內動態療法的MnOx-SPN
接下來，作者研究了比例成像在體內與治療效果相關的潛力。可以預期的是，隨著MnOx濃度的增加，這些腫瘤的CL圖像會隨著FL圖像的減弱而逐漸變亮（圖8A和8C）。從CL/FL圖像計算，腫瘤區域的ICL/IFL比率也與MnOx濃度呈正相關（圖8D）。
圖8.比例CL/FL成像與體內抗癌作用相關
參考文獻：doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.024
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