【纳米级PCN-224】光导向自驱动金属-有机框架纳米机器人用于深度肿瘤穿透

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北京理工大学王博教授团队、中国人民解放军总医院第一医学中心肝胆胰外科医学部刘荣教授等报道的本篇文章（Advanced Materials 2024, 2415121）中研究了一种基于锆基卟啉金属-有机框架（MOF）的光导向自驱动纳米机器人，用于智能递送化疗药物和光敏剂，实现深度肿瘤穿透。在红光照射下，纳米机器人能够从肿瘤表面向远离外部光源的深部肿瘤移动，显著增强肿瘤穿透能力。同时，肿瘤响应性释放和激活递送的治疗药物，实现了显著提高疗效的光化疗。

研究背景
1.行业问题：传统被动药物递送依赖血液循环进入实体瘤，由于肿瘤内高密度细胞外基质和高间隙液压等复杂生理病理屏障，导致药物难以有效深入肿瘤内部，限制了治疗效果。
2.研究现状：纳米材料虽能延长血液循环时间、提高肿瘤靶向能力，但被动运输进入肿瘤的效率低，难以实现主动运动穿透肿瘤微环境。已报道的驱动粒子多为微米级，尺寸较大，不适用于肿瘤治疗，且缺乏快速运动和定向能力。
3.本文创新：设计并制备了一种基于锆基卟啉MOF（PCN-224）和硫化锌（ZnS）的Janus纳米粒子，通过异质结效应和界面诱导自组装策略合成。该纳米机器人在酸性肿瘤微环境中能响应性生成氢硫化物作为推进气体，并表现出负光趋向性，在红光照射下从肿瘤表面向深部移动，实现深度肿瘤穿透和药物递送。

实验和分析
1.材料合成与表征：
合成了平均粒径约45nm的球形ZnS颗粒，通过PXRD、TEM、SAED等手段确认其晶体结构和形貌。
通过异质结效应，将PVP改性的ZnS与PCN-224耦合，合成ZnS-PCN224 Janus纳米粒子，平均长度约131nm。利用DFT计算解释了PVP在ZnS不同晶面的吸附行为，指导了Janus纳米粒子的生长机制。
将合成的ZnS-PCN224浸泡在DOX溶液中制备ZnS-DOX@PCN224纳米粒子，并用F-127包裹形成F127-ZnS-DOX@PCN-224，以提高其在体内的分散性和生物相容性。
2.应用性能测试：
在体外实验中，F127-ZnS-DOX@PCN-224在HepG2细胞中表现出良好的细胞内分布，主要集中在溶酶体中，并且在酸性条件下能够响应性释放DOX。同时，该纳米粒子在光照下能产生大量ROS和H2S，有效杀死癌细胞。
在3D肿瘤球模型中，F127-ZnS-DOX@PCN-224在酸性环境和光照下表现出显著的肿瘤穿透能力，药物能够深入肿瘤球内部。
3.性能结果原因分析：
ZnS在酸性肿瘤微环境中分解产生H2S，为纳米机器人提供推进力，使其能够快速移动。
纳米粒子表面带负电荷，在光照下产生更多的超氧阴离子（O2•−），形成局部电场，使纳米粒子受到静电斥力，表现出负光趋向性，向远离光源的方向移动，从而实现深度肿瘤穿透。
PCN-224在酸性环境中降解，响应性释放负载的DOX，并且其卟啉基光敏剂在光照下产生ROS，实现光化疗协同作用。

总结
1.成功制备了一种光导向自驱动MOF基纳米机器人，实现了深度肿瘤穿透和高效的药物递送，在体内外实验中均表现出良好的肿瘤抑制效果。
2.设计了具有负光趋向性和气体驱动的Janus纳米粒子，突破了传统被动药物递送的局限，为肿瘤治疗提供了新的策略和方法。
3.该研究为开发可定向和驱动的异质二聚体介导的药物载体提供了理论基础和技术支持，有望推动癌症治疗领域的发展，实现更有效的肿瘤治疗。

Light-Directed Self-Powered Metal-Organic Framework Based Nanorobots for Deep Tumor Penetration
文章作者：Xiuping Zhang, Lihua Wu, Xianheng Chen, Chunyu Liu, Yuanbo Wang, Rong Liu, Bo Wang
DOI：10.1002/adma.202415121
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415121

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