武大张先正团队 Adv. Funct. Mater.：自矿化的光热细菌与靶向线粒体的MOFs杂交用于增强光热肿瘤治疗

【背景介绍】

如今，细菌作为一种生物体，其代谢产物可以直接发挥重要的抑癌作用。同时，对细菌进行基因改造可以生产靶向性抗癌药物，以满足临床需求。此外，细菌由于其表面上存在大量化学基团而易于化学修饰。因此，基于细菌的多功能肿瘤治疗平台有望解决肿瘤治疗中的重大挑战。近年来，利用光热剂将光能转化为热量以消融肿瘤的光热疗法（PTT）取得重大突破，但是惰性光热剂的靶向能力差和固有的肿瘤耐热性限制了其应用。所以，开发基于细菌的PTT可以提供特殊选择，以解决PTT中肿瘤靶向能力和耐热性的问题。

然而，仅仅增强光热剂的肿瘤靶向能力，顽固癌细胞的固有耐热性仍可能限制PTT效果。肿瘤的耐热性主要由于热休克蛋白（HSPs）可以保护抗凋亡和保护细胞蛋白免于变性，从而防止细胞死亡。众所周知，HSPs的表达依赖于源于线粒体的三磷酸腺苷（ATP）的能量供应。由于线粒体编码的基因有助于真核细胞耐热性的演变，因此可以通过代谢和遗传方式干扰线粒体功能从而干预肿瘤细胞的耐热性。沸石咪唑构架90（ZIF-90）的金属有机构架（MOF）可能适合用作针对线粒体干扰的线粒体靶向药物的载体。因此，将自矿化细菌与破坏线粒体的ZIF-90封装药物偶联将是解决PTT中肿瘤靶向和肿瘤耐热挑战的有效策略。

【成果简介】

基于此，武汉大学张先正教授（通讯作者）团队报道了一种自矿化的光热细菌（PTB），通过利用电化学活性细菌Shewanella oneidensisMR-1（S.oneidensisMR-1）将四氯化钯酸（Na₂PdCl₄）还原成细菌细胞表面的钯纳米颗粒（Pd NPs）。由于细菌的特性，PTB具有很好的肿瘤靶向能力。此外，由于掺入了Pd NPs光热剂，PTB还有望在近红外（NIR）区域具有优异的光热性能。为了提高PTB的PTT效率，作者进一步合成了负载有光敏剂亚甲基蓝（MB）的ZIF-90（ZIF-90/MB），并在PTB的表面上共轭，通过酸敏感亚胺键制备PTB@ZIF-90/MB。当PTB@ZIF-90/MB到达酸性肿瘤部位时，由于酸敏感的亚胺键断裂和ATP诱导的ZIF-90框架降解，ZIF-90/MB会从PTB表面脱落并选择性的在线粒体释放MB，而MB在光照下会产生单线态氧（¹O₂）。因此，经过修饰的ZIF-90/MB通过破坏线粒体氧化还原平衡而导致线粒体功能障碍，最终抑制产生ATP并下调HSPs的表达。总之，基于PTB的PTB@ZIF-90/MB光热治疗平台使得PTT具有选择性靶向肿瘤和抑制肿瘤耐热性的优点，取得了显著的肿瘤治疗效果。研究成果以题为“Self-Mineralized Photothermal Bacteria Hybridizing with Mitochondria-Targeted Metal-Organic Frameworks for Augmenting Photothermal Tumor Therapy”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、PTB的表征
（A）细菌和扩大的细菌表面的TEM图像；

（B）PTB和扩大的PTB表面的TEM图像；

（C）PTB表面上Pd NPs的Mapping图像；

（D）干燥PTB的Pd 3d XPS光谱；

（E）HCOONa、Na₂PdCl₄、细菌和PTB的紫外可见吸收光谱；

（F-G）在808 nm激光照射5 min下，对不同浓度的PTB水溶液进行热成像和相应的升温曲线；

（H）当用不同的激光照射功率强度处理时，PTB的温度升高特性；

（I）五个周期的PTB循环光热测试；

（J）在用808 nm激光照射的不同处理中，CT26细胞的细胞毒性；

（K）在用808 nm激光照射后，CT26细胞活/死染色。

图二、ZIF-90和ZIF-90/MB的表征
（A）ZIF-90（A1）和ZIF-90/MB（A2）的SEM图像；

（B）MB、ZIF-90和ZIF-90/MB的PXRD图；

（C）MB、ZIF-90和ZIF-90/MB的紫外可见吸收光谱；

（D）用ATP处理的ZIF-90/MB和ZIF-90/MB的PXRD图；

（E）ATP处理后的ZIF-90/MB的SEM图像；

（F）ZIF-90/MB与线粒体在3T3细胞和CT26细胞中的共定位研究以及相应的区域放大图；

（G）在不同浓度的ZIF-90/MB水溶液中，SOSG的荧光增加特性；

（H）在不同时间照射的3T3细胞和CT26细胞中使用DA-DCFH检测1O2；

（I-J）在3T3细胞和CT26细胞中用ZIF-90/MB处理后，在有无光照的情况下，使用JC-1染料监测线粒体膜电位和相应流式细胞仪检测；

（K）在有无光照的情况下，ZIF-90或ZIF-90/MB处理后的相对ATP量；

（L）WB试验用于在不同处理后检测HSP70和HSP90的表达；

（M-N）ZIF-90或ZIF-90/MB处理（有无光照）后， 3T3细胞和CT26细胞的细胞毒性。

图三、PTB@ZIF-90/MB的表征
（A）杂交的PTB@ZIF-90/MB的SEM图像；

（B）PTB@ZIF-90/MB上Pd和Zn的元素Mapping图；

（C）PTB@ZIF-90/MB的Pd 3d XPS光谱；

（D）PTB@ZIF-90/MB的Zn 2p XPS光谱；

（E）不同处理后LB平板中的细菌菌落形成单位；

（F）不同处理后的相对ATP量；

（G）不同处理后CT26细胞的细胞活力；

（H）用于在不同处理后检测HSP70和HSP90表达的WB测定；

（I-J）不同处理后CT26细胞的活/死染色以及相应流式细胞仪表征。

图四、PTB@ZIF-90/MB的体内肿瘤靶向测试
（A）观察小鼠体内DIR荧光研究PTB@ZIF-90/MB的肿瘤靶向能力；

（B）观察RhB荧光研究ZIF-90的肿瘤靶向能力和ZIF-90与PTB的共定位；

（C-D）小鼠中PTB@ZIF-90/MB的光热性质研究和相应的温度定量。

图五、PTB@ZIF-90/MB的体内肿瘤治疗
（A）PTB@ZIF-90/MB对CT26小鼠皮下肿瘤模型的治疗过程；

（B）17 d内不同治疗方法的肿瘤生长情况；

（C）在第17 d的不同治疗后收获的肿瘤；

（D）在不同治疗组中HSP70和HSP90的肿瘤H＆E染色、TUNEL测定和免疫荧光染色；

（E）在不同治疗组中观察到的40 d内的小鼠存活曲线；

（F）小鼠体重17 d内改变。

（G）在第1 d和第7 d血浆中CRP和PCT的浓度变化；

（H）在静脉注射PTB@ZIF-90/MB的第1 d、第7 d和第14 d后，不同组织的主要血细胞浓度；

（I）静脉内注射PTB @ ZIF-90/MB的第1 d、第7 d和第14 d后，肝功能相关酶ALT、AST和GGT的浓度；

（J）在静脉内注射PTB@ZIF-90/MB的第1 d、第7 d和第14 d后，肾脏功能相关的尿素、谷氨酸和CRE底物浓度。

【小结】

综上所述，作者开发了PTB@ZIF-90/MB的生物杂交型光热治疗平台，该平台具有良好的肿瘤靶向能力和增强的光热肿瘤消融能力。此外，生物安全性评估表明，PTB@ZIF-90/MB不会引发明显的组织损伤和严重的炎症反应。该工作展示的PTB@ZIF-90/MB治疗平台有望解决传统光热剂肿瘤靶向能力差和肿瘤耐热性的问题。

文献链接：Self-Mineralized Photothermal Bacteria Hybridizing with Mitochondria-Targeted Metal-Organic Frameworks for Augmenting Photothermal Tumor Therapy. (Adv. Funct. Mater.,2020, DOI: 10.1002/adfm.201909806)

本文由CQR编译。

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