中国科大刘世勇团队《Angew》：靶向自溶性两亲性聚(二茂铁) ，实现协同放大氧化应激治疗肿瘤

嵌段共聚物（BCPs）由于其独特的自组装、可调整的形态和功能的多样性等性能，已经被广泛应用于生物医学应用的多功能材料。近年来，随着研究的深入，开发具有特定生物功能的BCPs用于靶向给药和肿瘤治疗成为该领域的热门研究方向之一。然而，传统的嵌段共聚物在应对变化的环境时表现出有限的通用性和适应性。为了克服这一局限性，刺激反应性聚合物不如研究人员的视野，这一类材料可以在外部刺激下改变其物理和化学性质，如光、pH值、氧化还原等。因此，相关刺激反应性聚合物被用作肿瘤治疗的研究越来越多，这类材料的靶向和控制药物输送的能力，以及其生物相容性和多功能性相较其他材料具有显著的优势，特别是在化疗方面。

化学动力学疗法（CDT）是应用刺激反应性聚合物的主要方法之一。这种方法具有显著的优势，如肿瘤的高特异性，不需要外部刺激，对周围健康细胞的损害最小。然而，化学动力学疗法系统的开发往往涉及无机纳米金属氧化物，其潜在的代谢毒性和长期副作用不可避免地阻碍了其临床应用。因此金属配位小分子是主要的替代方案。而二茂铁（Fc）作为一种典型的金属有机络合物，具有特殊的电子供体-受体共轭结构，使其在芬顿反应中具有很强的催化作用进而产生活性氧（ROS），并且它的亲油性也使其衍生物容易穿过细胞膜。所以含有Fc分子的小分子治疗剂对肿瘤细胞有明显的抑制作用。但是如果单独使用二茂铁作为肿瘤抑制的药物，其小分子特性可能存在血液清除快、药代动力学差、肿瘤蓄积少等问题以及脱靶对人体诱发严重副作用。

近期，中国科学技术大学刘世勇、胡祥龙团队设计了一种自溶两亲聚二茂铁-聚乙二醇嵌段共聚物（BPnbs-Fc），可以酸性条件下解聚释放高负载的AQM衍生物和AFc分子，在酸性环境中实现自我促进的芬顿活性氧（ROS）的爆发。在催化性能方面，实现了由此产生的铁离子的细胞内循环，这在一定程度上缓解了基于Fc的纳米粒子的低效率这一挑战性问题。含有Fc分子的刺激反应性聚合物可以提供具有更好的生物相容性和反应性的同时，亲水性的聚乙二醇（PEG）段有助于形成冠层水性纳米粒子，以防止它们被单核吞噬系统（MPS）清除。该工作以题为“Self-Immolative Amphiphilic Poly(ferrocenes) for Synergistic Amplification of Oxidative Stress in Tumor Therapy”的文章发表于Angewandte Chemie。

BPnbs-Fc的合成与自组装过程

本文通过设计这种自溶梳状聚合物改性为两亲性嵌段共聚物，在每个重复单元上嫁接目标货物用于药物输送，将大大提高药物负载量。释放的小分子药物的不可逆降解弥合了基于纳米颗粒和小分子治疗系统之间的差距。为此，苯基氨基甲酸酯笼型苯胺单体M1和M2是由侧基中分别带有两个官能团（Fc和Ph）的修饰制备而成。它们是在经历了羟基和异氰酸酯（FG- NCO）之间的高效催化反应，然后去除末端的硅基保护基后得到。然后，含有异氰酸酯末端的原料是通过羧基叠加后的Curtius重排产生的。两种的生长链分别使用nbs - OH进行封端，作为酸性的pH反应性可触发单元。三种类型的自消旋梳状聚合物被制备出来，分别称为Pnbs-Fc、Pnbs-Ph和PBn-Fc。接下来，通过使用梳状聚合物的末端羟基对其进行PEG化来制备两亲二嵌段共聚物。嵌段聚合物的合成主要采用异氰酸酯封端的聚乙二醇单甲醚（mPEG45-NCO）作为反应物制备。在适合的条件下，这些嵌段聚合物可以成功组装成为小球。

BPnbs-Fc胶束纳米粒子在酸性pH下的级联降解是由端部笼状基团与希夫碱键的去除引发的。降解主要包含两个降解过程： i) BPnbs-Fc经历1,6-消除，从头到尾释放AQM衍生物；ii) AQM衍生物被GSH烷基化，并经历另一次1,6-消除（乙烯基正苄基位置），实现结果AFc释放。此外，AFc可以被降解以得到自由铁离子。为了研究BPnbs-Fc对不同pH值的敏感性，对加载尼罗红（NR）的BPnbs-Fc水溶液纳米粒子进行了初步测试。荧光发射光谱表明，NR负载的BPnbs-Fc在中性和碱性环境中保持稳定。然而，在酸性环境中，降解率与pH值的降低呈正相关。为了模拟肿瘤部位的酸性细胞外环境，在pH值为6.5的条件下，负载NR的BPnbs-Fc被处理24小时，荧光强度下降~17%，表明BPnbs-Fc的稳定性可以接受。而在pH6.0和pH5.0下处理24小时，荧光强度的降低分别为~76%和~86%，这相当于细胞内的酸性环境，具有高效的降解。

BPnbs-Fc实现ROS爆发与肿瘤细胞抑制

对BP nbs-Fc的体外ROS生成进行了评估。只有在H2O2和Fe2+同时存在的情况下才检测到荧光强度的明显增加，这证明了Fenton反应的发生和APF探针的特异性。BP nbs-Fc降解后释放的AFc和转化的Fe2+都可以作为催化剂，将略带活性的H2O2转化为高活性的OH自由基。BP nbs-Fc的水分散体与H2O2和APF探针在pH 6.0和5.0下反应72小时，荧光强度分别增加~115和~135倍，而在pH 7.4下观察到最小变化。不同pH值状态下芬顿反应的速率差异来源于两个方面：一方面，纳米颗粒在结构下保持完整，在pH7.4时不能释放催化剂，而在pH5.0时催化剂的释放速度比pH6.0时快；另一方面，在一定范围内相对较低的pH值使芬顿反应更有效，这与肿瘤的酸性环境相对应。因此，它的工作机制可能可以保证CDT对肿瘤的高效抑制和对正常组织的安全。

为了探究细胞吸收BPnbs-Fc后GSH的消耗和AMQ衍生物的产生评估了用三种不同的纳米颗粒（即：BP nbs-Fc、BP nbs-Ph和BP Bn - Fc）分别处理4T1细胞后的GSH水平。用三种纳米颗粒分别处理细胞6小时，用Ellman试剂对GSH水平进行相应的量化。 BP nbs-Ph和BP nbs-Fc在100 pg/mL的处理可导致细胞GSH水平明显下降，分别为~35%和~68%，而酸性BP Bn-Fc仅显示细胞GSH下降了~4%。这主要是由于BPnbs-Fc和BPnbs-Ph都可以产生AQM衍生物来消耗GSH，但BPnbs-Fc降解产生的AFc/铁离子可以催化Fenton反应，产生更多的高活性OH自由基，因此肿瘤细胞需要消耗更多的细胞抗氧化剂，如GSH来对抗升高的氧化压力此外，酸性惰性BP Bn-Fc在肿瘤细胞中预计相当稳定，在一定程度上保持结构和成分的完整性，因此BP Bn-Fc不能有效地消耗细胞的GSH。

最后，在小鼠实验中，使用IVIS III Lumina成像系统，只进行了一次静脉注射，就观察到了DiR负载的BP nbs-Fc的生物分布和肿瘤积累。注射6小时后，在肿瘤部位发现了明显的荧光，表明在肿瘤部位有明显的胶体积累，在~48小时时，肿瘤的保留达到最大，荧光强度最强。这些结果表明，BP nbs-Fc可以有效地在肿瘤部位积累。然后，研究了BP nbs-Fc和BP nbs-Ph纳米颗粒对4T1肿瘤携带小鼠的体内抗肿瘤功效。分别在第0、2和4天以相同的剂量6mg/kg静脉注射样品，每5天对小鼠进行一次成像。而BP nbs-Fc的肿瘤抑制效率则优于BP nbs-Ph的肿瘤。因此，AQM衍生物和BP nbs-Fc纳米颗粒释放的AFc催化剂的协同作用贡献很大。对于存活率的评估，在治疗的第28天，对照组只有~40%的小鼠存活，而在治疗的BP nbs-Fc和BP nbs-Ph组，分别有100%和60%的小鼠存活。

小结：该文报道了一种酸性pH触发的自消融两亲性聚（二茂铁），BPnbs-Fc，实现GSH反应的AQM分子和AFc不断被级联释放，通过 AQM衍生物在肿瘤细胞中明显的GSH消耗和AFc/铁离子催化放大芬顿反应提高的细胞氧化压力，有效地抑制肿瘤细胞。总的来说，目前的自消融性两亲性聚二茂铁提供了一种增强CDT的疗效，实现精准医疗的有效方法。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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