基于Mn2O3的纳米催化体系用于肿瘤化学动力学和饥饿联合治疗的研究

作     者：段伽祺 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张金超;葛昆

授予年度：2024年

学科分类：1002[医学-临床医学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 100214[医学-肿瘤学] 10[医学] 0702[理学-物理学] 

主      题：化学动力学治疗 饥饿治疗 谷氨酰胺 葡萄糖氧化酶 Mn2O3 

摘      要：恶性肿瘤已成为危害人类生命健康的主要威胁之一。肿瘤微环境（Tumor Mircroenvirment,TME）和细胞代谢是肿瘤生长和发展的关键因素之一。然而,化疗和放疗的非特异性和耐药性,限制了当前癌症治疗方法的有效应用。纳米催化疗法是一种基于TME在体内应用纳米催化剂产生活性氧（Reactive oxygen species,ROS）物质杀伤肿瘤细胞的新型治疗方式。化学动力学疗法（Chemodynamic therapy,CDT）以其对肿瘤具有选择性、副作用小等优势吸引了研究人员的关注,已成为一种极具发展潜力和应用前景的肿瘤纳米催化治疗策略。但是,单一治疗模式往往受到内源性H2O2不足、高谷胱甘肽（Glutathione,GSH）的影响,使催化治疗的效率受到限制。干扰葡萄糖代谢的饥饿治疗（Starvation therapy,ST）,可以通过葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase,GOx）催化葡萄糖产生葡萄糖酸和H2O2,一方面切断肿瘤的能量供给,另一方面产生的H2O2可以被芬顿/类芬顿试剂催化产生·OH以及更酸的TME,为CDT提供良好的催化条件。因此,CDT和ST的联合治疗可以实现对肿瘤细胞的高效协同杀伤。 然而,TME中过量的GSH会迅速消耗产生的ROS,缺氧的特点也会抑制ST治疗效果。此外,葡萄糖消耗反应中O2的消耗也会加重肿瘤缺氧,进一步抑制了葡萄糖剥夺效率和H2O2持续生成,成为一个恶性循环。而且,当葡萄糖代谢受到干扰时,肿瘤细胞会特异性摄取谷氨酰胺,提供机体所需的能量,以及生物合成的碳源和氮源。因此,改变TME中底物浓度以提高纳米催化效率,同时阻断葡萄糖和谷氨酰胺摄取,导致肿瘤“严重饥饿,是提高CDT协同ST抗肿瘤疗效的关键。 基于此本文设计了基于Mn2O3的复合纳米材料Mn2O3/GOx@V9302,用于实现肿瘤CDT和ST双增强协同治疗。首先,以GOx为模板通过原位仿生矿化的方法合成了直径约70 nm的Mn2O3/GOx,并负载V9302（一种跨膜谷氨酰胺通量的竞争性拮抗剂）,合成直径100～120 nm的Mn2O3/GOx@V9302纳米材料。X射线粉末衍射图谱、X射线光电子能谱等结果表明Mn2O3/GOx@V9302具有Mn2O3晶体结构,且GOx和V9302成功负载。紫外-可见光谱、溶解氧测定等实验结果表明在酸性环境下Mn2O3/GOx@V9302可以释放出大量H2O2和O2,产生·OH,并消耗GSH。 然后,以乳腺癌MDA-MB-231细胞为模型,研究了Mn2O3/GOx@V9302对肿瘤细胞的杀伤效果及抗肿瘤机制。通过纳米粒子和细胞共孵育,发现其主要定位在溶酶体,在微酸的环境下,细胞内ROS和O2的水平升高,GSH的含量降低。同时V9302使细胞的谷氨酰胺转运蛋白（ASCT2）活性降低,谷氨酰胺摄取受到抑制,导致肿瘤细胞活性显著下降。进一步发现,Mn2O3/GOx@V9302会导致细胞线粒体功能失常,脂质过氧化物累积,谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）活性降低,诱导细胞发生铁死亡。 最后,通过皮下荷瘤小鼠模型探究了Mn2O3/GOx@V9302的体内抗肿瘤效果。溶血实验、血生化测试、H&E染色实验结果显示,Mn2O3/GOx@V9302在体内有较高的生物安全性。小动物荧光成像显示纳米材料24 h后可以在肿瘤部位富集。经治疗,各组小鼠体重无明显差异。体内抑瘤实验和肿瘤组织的H&E染色结果表明Mn2O3/GOx@V9302可以有效抑制肿瘤生长,对肿瘤组织有良好的杀伤作用。 本文通过仿生矿化及静电吸附的办法制备了具有优异抗肿瘤效果的纳米材料Mn2O3/GOx@V9302,通过改变TME中底物浓度,同时阻断葡萄糖和谷氨酰胺摄取,增强了CDT/ST的协同治疗效果。本论文的相关研究结果,为开发新型CDT/ST协同治疗提供了一定的理论基础和实验依据,具有一定的理论意义和应用价值。