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蘇州大學(xué)劉莊教授和馮良珠副研究員團(tuán)隊(duì)《Mater. Today》:口服乙醇助力肝癌生物催化治療
2022-04-09  來(lái)源:高分子科技

  我國(guó)是世界上的肝癌大國(guó),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(shí)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(kuò)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(fù)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(xué)劉莊教授與馮良珠副研究員團(tuán)隊(duì)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(lái)治療抑制肝癌的生長(zhǎng)。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(huì)快速地富集在肝臟部位,進(jìn)而通過級(jí)聯(lián)生物催化反應(yīng)分解為過氧化氫(H2O2和羥基自由基·OH),從而引發(fā)肝癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡(圖1)。這項(xiàng)工作提出了一種以口服乙醇(“飲酒”)與局部植入級(jí)聯(lián)生物催化劑為核心技術(shù)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(gè)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(duì)治療的依從性。

圖 1. 口服乙醇聯(lián)合局部植入級(jí)聯(lián)催化水凝膠高效抑制原位肝癌生長(zhǎng)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(yīng)(圖2d-g)。接下來(lái),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(kuò)散進(jìn)入水凝膠且通過級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)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(lái),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(dǎo)小鼠肝癌細(xì)胞(H22,圖3a-g)和小鼠乳腺癌細(xì)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(duì)小鼠黑色素瘤細(xì)胞(B16)、人宮頸癌細(xì)胞(Hela)、人肺腺癌細(xì)胞(A549)和人乳腺癌細(xì)胞(MCF-7)都表現(xiàn)出高效的細(xì)胞殺傷能力(圖3k-n)。

圖3. HCS&ALOD級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)引發(fā)腫瘤細(xì)胞鐵死亡。


  之后,利用小動(dòng)物成像及腫瘤切片發(fā)現(xiàn)ALG水凝膠能夠有效延長(zhǎng)ALODHCS在腫瘤部位滯留時(shí)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(xì)胞鐵死亡。


  活體治療實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)。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(zhǎng)。


  進(jìn)一步地,作者在大鼠原位肝癌腫瘤(N1S1)模型中證實(shí)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(zhǎng)(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(zhǎng)。


  將小鼠和大鼠治療實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(lái)進(jìn)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(huì)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(lái)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(xué)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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(責(zé)任編輯:xu)
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