大家好，今天跟大家分享一篇發表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，文章題目是「Copper-Based Metal–Organic Framework Overcomes Cancer Chemoresistance through Systemically Disrupting Dynamically Balanced Cellular Redox Homeostasis」。本文的通訊作者是華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院王征，王琳，王國斌教授。本文通過利用耐藥癌細胞中高水平但動態平衡的細胞氧化還原平衡的生化脆弱性，設計了一種納米銅/鄰苯二酚基金屬有機框架（CuHPT），有效地擾亂了這種平衡，使其向氧化壓力傾斜。
化療耐藥性是造成腫瘤復發的一個主要原因。鑑於化療耐藥性的機制複雜性，分子抑制劑和靶向藥物往往不能消除耐藥性的癌細胞，有時甚至通過激活替代途徑促進化療耐藥性。在耐藥細胞中，氧化還原作用動態地保持在一個較高的水平，以保持這些細胞的生命力和抵抗化療的能力。鑑於這種氧化還原的特點，一種可能的方法是通過提高更高的氧化應激，同時使這些細胞的抗氧化能力失效，從而破壞這種細胞的氧化還原平衡，有選擇地殺死耐藥細胞。然而，很少有分子能夠同時實現這個目標的這兩個方面，因為大多數報道的化合物只是能夠針對其中的一個方面。本文通過銅離子和兒茶酚配體（2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene, HPT）之間的一步自組裝，合成了一個納米級的銅基金屬有機框架（CuHPT）。CuHPT可以將GSH氧化成二硫化穀胱甘肽（GSSG），同時由於配位銅（Cu（II））的還原而分解。隨後，釋放的兒茶酚配體和Cu+促進了細胞內ROS的產生。利用耐藥癌細胞中高含量的GSH作為激活和維持ROS放大效應的 "觸發器"，可有效殺死耐藥癌細胞。
作者通過Cu(NO3)2和HPT在Tris緩衝液和二甲亞碸（DMSO）的混合物中在室溫下自組裝1小時，合成了銅有機框架（表示為CuHPT）。這種自組裝產生了納米級的框架，在CuHPT中具有明確的晶格指。CuHPT的X射線衍射（XRD）圖案表明其具有良好的結晶性，與CuHTP的圖案相似，表明該銅基框架的合成是成功的。高分辨率的Cu 2p光譜顯示在934.5 eV（Cu 2p3/2）和954.2 eV（Cu 2p1/2）的兩個特徵峰，並伴隨着兩個搖動的衛星峰。同時，O 1s譜顯示了兩個特徵峰，分別指定了O-C（532.6 eV）和O-Cu（530.7 eV）的氧構型。CuHPT和反應物之間XPS光譜的明顯偏移表明Cu(II)和HPT之間存在配位。納米化的CuHPT可以均勻地分散在水溶液中，流體力學尺寸為140nm，並在生理緩衝液中保持穩定，表明其具有良好的膠體穩定性。鑑於Cu(II)可以被穀胱甘肽(GSH)還原成Cu(I)，GSH可能會誘導CuHPT框架的分解，釋放出HPT配體和銅離子(Cu+)，在這期間GSH被氧化成GSSG。因此，釋放的HPT可以促進ROS的產生，而Cu+將通過類似芬頓的反應幫助產生·OH。實驗表明CuHPT和GSH之間發生了氧化-還原反應。接下來，通過檢測H2O2的含量來檢查HPT誘導的ROS生成。即使在400μg mL-1的高濃度下，CuHPT也幾乎不產生H2O2，表明CuHPT分解為游離的HPT是產生ROS的必要條件。進一步的實驗證明，GSH作為一個 "觸發器 "激活了CuHPT的ROS生成能力和POD類催化活性。
基於CuHPT的GSH激活的促氧化活性，作者推測CuHPT可能選擇性地放大細胞內ROS的數量，並通過級聯反應增強其在耐藥癌細胞中的毒性。為了研究CuHPT的體外抗腫瘤作用，作者在三種耐藥癌細胞系及其親本細胞系（藥物敏感型）中測定了CuHPT的細胞毒性，包括人結直腸癌細胞（HCT116/L-OHP和HCT116）、人乳腺癌細胞（MCF7/ADR和MCF7），以及人迴腸結直腸腺癌細胞（HCT-8/TAX和HCT-8）。CuHPT在所有三種類型的抗藥性癌細胞中表現出明顯更高的抗腫瘤活性，而游離銅離子（Cu2+）或HPT在這些細胞中表現出可忽略不計的毒性，可能是由於Cu2+的細胞內化不足和HPT的ROS生成有限。值得注意的是，雖然超過88%的HCT116和MCF7細胞在接受CuHPT處理（40μg mL-1）後仍然存活，但這兩個耐藥衍生細胞系（HCT116/L-OHP和MCF7/ADR）的存活率卻降低到低於40%，這表明CuHPT對耐藥癌細胞的抗腫瘤活性有選擇性的增強。一致的是，細胞凋亡分析和活/死細胞染色顯示CuHPT對耐藥癌細胞的抗腫瘤效果有所提高。
鑑於HPT的促氧化活性和配位框架中銅離子的Fenton-like反應性被GSH激活，CuHPT的選擇性毒性可能取決於耐藥癌細胞中細胞GSH的高水平。為了驗證這一假設，作者首先檢查了這些癌細胞的細胞內GSH水平。正如預期的那樣，儘管它們的組織來源不同，對不同的化療藥物具有抗性，但三種類型的耐藥癌細胞中的GSH含量都明顯高於其親代癌細胞。接觸CuHPT後，耐藥癌細胞和親代癌細胞的GSH/GSSG比率都急劇下降，表明細胞內的GSH被有效氧化為GSSG。同時，在耐藥癌細胞（HCT116/L-OHP細胞）中，CuHPT明顯提高了細胞內的ROS水平，包括三種主要類型的ROS，O2-，H2O2和·OH。這種氧化還原平衡的破壞是由以下因素協同產生的：（1）由於GSH的耗竭，抗氧化能力減弱；（2）在HPT上兒茶酚氧化產生的O2-和H2O2；以及（3）Cu+催化的·OH生成。有趣的是，在親代癌細胞（HCT116）中，CuHPT增加了細胞的ROS水平，但仍低於未經處理的耐藥細胞（HCT116/L-OHP），可能不足以破壞細胞的氧化還原平衡，因為CuHPT只增加了O2-和H2O2的含量而沒有改變·OH水平。然而，當用穀胱甘肽還原乙酯（GSH-OEt）或N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）提高親代HCT116細胞的細胞內GSH水平時，CuHPT的·OH生成功能被激活，CuHPT的抗腫瘤活性明顯增強，表明CuHPT的選擇性抗腫瘤作用是由細胞GSH激活的。綜上所述，CuHPT能有效地消耗耐藥癌細胞的細胞GSH，抑制其抗氧化能力，並在耐藥細胞中豐富的GSH觸發下，特異性地增加ROS的含量和細胞毒性，從而選擇性地殺死這些細胞。
此外，在耐藥腫瘤模型（HCT116/L-OHP，奧沙利鉑耐藥結直腸癌細胞）中研究了CuHPT的體內抗腫瘤效果。當抗藥性腫瘤達到80mm3時，將小鼠隨機分為三組，分別用PBS、奧沙利鉑（5mg kg-1）和CuHPT（5mg kg-1）進行靜脈注射治療。與PBS組相比，奧沙利鉑治療幾乎沒有減緩腫瘤的生長，但顯著降低了腫瘤小鼠的體重，並損害了心臟功能，表明這種一線化療藥物的療效不佳，副作用嚴重。與此形成鮮明對比的是，CuHPT有效地抑制了腫瘤的生長，減少了腫瘤的質量（62%的抑制率），並且沒有誘發全身性的毒性和體重下降。此外，使用2',7'-二氯二氫熒光素二乙酸酯（DCFH-DA）測定從接受治療的小鼠中分離出的腫瘤的ROS含量，其綠色熒光與ROS量定量相關。正如DCFH-DA的熒光所反映的，CuHPT極大地提高了腫瘤組織內的ROS含量。重要的是，CuHPT有效延長了腫瘤小鼠的生存期。通過CuHPT治療，中位生存時間從37.7天（奧沙利鉑）增加到61.4天。在組織學上，CuHPT明顯抑制了耐藥結直腸腫瘤的細胞增殖（Ki-67陽性細胞減少71%），並誘導細胞凋亡（末端脫氧核苷酸轉移酶dUTP缺口末端標記（TUNEL）陽性細胞增加73%），而奧沙利鉑則表現出低效的抗腫瘤效果。這些結果表明，CuHPT在體內擾亂了耐藥性腫瘤的氧化平衡，使其走向氧化狀態，促進了癌細胞凋亡。接下來，在健康BALB/c小鼠中評估了CuHPT的生物安全性。與奧沙利鉑明顯降低體重和損害小鼠肝臟功能相比，CuHPT沒有影響身體生長和損害任何主要器官，表明CuHPT具有良好的生物相容性。然後在BALB/c小鼠體內檢查了CuHPT的體內生物分布情況。靜脈注射後，CuHPT在第1天主要聚集在肝臟和肺部。主要器官（如肝臟和肺部）中的銅含量逐漸減少，14天後達到與未處理小鼠（第0天）相似的水平（P>0.05），表明CuHPT可以在小鼠體內有效代謝。
總之，本文通過簡單的自組裝合成了一種CuHPT。通過由細胞GSH引發的級聯反應，CuHPT通過同時產生ROS和消除抗氧化劑GSH而特異性地釋放其促氧化活性。因此，耐藥性癌細胞中高水平的GSH，應該可以抵禦化療和氧化應激，成為激活CuHPT的關鍵，打破細胞氧化還原平衡，選擇性地殺死多種類型的耐藥性癌細胞。在耐藥性結直腸腫瘤模型中，CuHPT充分抑制了腫瘤的生長，與一線化療藥物（奧沙利鉑）相比，腫瘤小鼠的生存時間延長了近一倍，而奧沙利鉑的治療效果可以忽略不計，並有明顯的全身毒性。重要的是，CuHPT表現出良好的生物相容性，可以在兩周內從體內清除。因此，這項研究不僅提供了一種高效安全的納米治療劑（CuHPT），用於選擇性地殺死耐藥癌細胞，而且還提供了一種新的戰略，通過將抗氧化劑分子轉化為促氧化劑觸發器來逆轉化療抗性。DOI: 10.1021/jacs.1c11856https://doi.org/10.1021/jacs.1c11856
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