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蘇州大學劉莊教授和馮良珠副研究員團隊《Mater. Today》:口服乙醇助力肝癌生物催化治療
2022-04-09  來源:高分子科技

  我國是世界上的肝癌大國,每年新增肝癌病例占全球肝癌新增病例的一半以上。其中,經(jīng)皮乙醇注射療法(Percutaneous ethanol injection therapy, PEIT)是一種廣泛用于治療小肝癌(Hepatocellular carcinoma, HCC)等實體腫瘤的非熱性局部治療手段。然而,由于注射乙醇的不均勻擴散和局部泄漏,PEIT通常需要多次注射乙醇,并常伴隨較高的局部復發(fā)率和并發(fā)癥。因此,開發(fā)新型肝癌局部治療策略具有重要的意義。


  近期,蘇州大學劉莊教授與馮良珠副研究員團隊提出了一種替代性的乙醇激活的局部生物催化治療策略來治療抑制肝癌的生長。在該策略中,作者首先包覆有乙醇氧化酶(Alcohol oxidase, ALOD)和血紅素-殼聚糖分子(HCS)的海藻酸鈉(ALG)水凝膠固定在肝癌部位;之后,口服的乙醇會快速地富集在肝臟部位,進而通過級聯(lián)生物催化反應分解為過氧化氫(H2O2和羥基自由基·OH),從而引發(fā)肝癌細胞發(fā)生鐵死亡(圖1)。這項工作提出了一種以口服乙醇(“飲酒”)與局部植入級聯(lián)生物催化劑為核心技術的創(chuàng)新性肝癌治療策略。該策略不但能夠有效避免臨床使用的PEIT治療中因局部乙醇泄漏造成的副作用和個體間療效差異大等不足,還能夠避免現(xiàn)有PEIT治療中需要多次經(jīng)皮穿刺治療的不足,在保證療效的前提下,極大地提高患者對治療的依從性。

圖 1. 口服乙醇聯(lián)合局部植入級聯(lián)催化水凝膠高效抑制原位肝癌生長示意圖

  首先,利用硫酸氧鈦探針發(fā)現(xiàn)ALOD可以將乙醇轉(zhuǎn)化為H2O2,在生理溶液中孵育一周仍能保持56%酶活性(圖2a-c),且ALODHCS組合能夠催化乙醇產(chǎn)生·OH,從而觸發(fā)高效的脂質(zhì)過氧化反應(圖2d-g)。接下來,將ALOD和HCS包覆在海藻酸鈉中成功制備ALOD&HCS@ALG水凝膠(圖2h-i),并證明乙醇分子能夠有效擴散進入水凝膠且通過級聯(lián)催化反應產(chǎn)生·OH(圖2j-k)。

圖2. ALOD&HCS@ALG水凝膠的制備及催化性能表征。

  接下來,利用脂質(zhì)過氧化熒光探針發(fā)現(xiàn)ALOD和HCS在乙醇存在條件下能夠誘導小鼠肝癌細胞(H22,圖3a-g)和小鼠乳腺癌細胞(4T1,圖3h-j)內(nèi)脂質(zhì)自由基水平提高并發(fā)生鐵死亡。此外,ALODHCS對小鼠黑色素瘤細胞(B16)、人宮頸癌細胞(Hela)、人肺腺癌細胞(A549)和人乳腺癌細胞(MCF-7)都表現(xiàn)出高效的細胞殺傷能力(圖3k-n)。

圖3. HCS&ALOD級聯(lián)催化反應引發(fā)腫瘤細胞鐵死亡。


  之后,利用小動物成像及腫瘤切片發(fā)現(xiàn)ALG水凝膠能夠有效延長ALODHCS在腫瘤部位滯留時間(圖4a-e),且ALOD&HCS@ALG水凝膠聯(lián)合口服乙醇能夠引發(fā)腫瘤部位持續(xù)產(chǎn)生脂質(zhì)自由基(圖 4f-g)。

圖4. ALOD&HCS@ALG水凝膠在腫瘤部位滯留并引發(fā)腫瘤細胞鐵死亡。


  活體治療實驗結(jié)果顯示,腫瘤部位植入ALOD&HCS@ALG水凝膠聯(lián)合多次口服乙醇,能夠有效抑制小鼠乳腺癌(4T1,圖5a-e)及肝癌(H22,圖 5f-j)的生長。與傳統(tǒng)的PEIT治療相比,該策略具有更為有效的早期治療效果,以及更為均一的治療效果。


圖5. 口服乙醇聯(lián)合ALOD&HCS@ALG水凝膠抑制小鼠肝癌腫瘤(H22)及乳腺癌腫瘤(4T1)生長。


  進一步地,作者在大鼠原位肝癌腫瘤(N1S1)模型中證實了該水凝膠聯(lián)合口服乙醇能夠高效抑制原位肝癌的生長(圖 6)。

圖6. 口服乙醇聯(lián)合ALOD&HCS@ALG水凝膠抑制大鼠原位肝癌腫瘤(N1S1)生長。


  將小鼠和大鼠治療實驗中每天灌喂的乙醇的劑量換算成人體(70 kg)的劑量為12.15 g,這僅相當于一罐330 mL的啤酒(5vol.%)中的酒精含量。因此,有望通過增加乙醇的攝入劑量和頻次來進一步提高該策略的臨床治療效果。考慮到經(jīng)口攝入的乙醇會在24 h內(nèi)被肝臟分解為CO2和H2O,或經(jīng)過呼吸與腎臟途徑被直接排除體外,因此該策略具有良好的生物安全性。此外,口服乙醇還有望通過麻痹神經(jīng)來緩解癌癥患者常面臨的疼痛等問題,在一定程度上提高患者的生存質(zhì)量。

  該研究成果以題為“Percutaneous Implantation of Ethanol Fueled Catalytic Hydrogel Suppresses Tumor Growth by Triggering Ferroptosis”發(fā)表在Materials Today論文的第一作者為蘇州大學功能納米與軟物質(zhì)研究院的博士研究生郝鈺,通訊作者為劉莊教授和馮良珠副研究員。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.03.013

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