多功能纳米囊-壳聚糖-金纳米杂化体用于pH/ROS触发型喜树碱释放，在乳腺癌治疗中的应用

《Bioorganic Chemistry》：Multifunctional niosome–chitosan–gold nanohybrids for pH/ROS-triggered camptothecin release in breast cancer treatment

本研究开发了一种多功能纳米复合材料（NIOs/AuNPs-CS/CPT），利用Moringa oleifera种子提取物绿色合成金纳米颗粒，结合壳聚糖和Niosomes载体，实现pH和ROS响应的卡铂释放，显著提高乳腺癌细胞毒性（IC50=5.2 μg/mL）和抗炎活性（IC50=24.10 μg/mL），为靶向乳腺癌治疗提供新策略。

　　

S. Ayyanaar | Gujuluva Gangatharan Vinoth Kumar | G. Rajagopal | M. Sampath | G. Sumathi | G. Senthamil Selvan | G. Puthilibai

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市Kalaignarkarunanidhi理工学院化学系，邮编641402

摘要

高水平的活性氧（ROS）与癌症和炎症有关，这促使人们开发出能够响应ROS的药物递送系统，这些系统利用肿瘤的氧化微环境来实现药物的控制释放。乳腺癌仍然是全球主要的健康挑战，需要有效且低毒性的治疗方法。喜树碱（CPT）是一种强效的拓扑异构酶I抑制剂，但其临床应用受到溶解度低和系统毒性的限制。在这项研究中，我们开发了一种多功能纳米复合材料（NIOs/AuNPs-CS/CPT），该复合材料由负载CPT的纳米脂质体（NIOs）与壳聚糖（CS）包覆的金纳米颗粒（AuNPs）组成，这些纳米颗粒是通过使用辣木（Moringa oleifera）种子提取物通过绿色方法合成的。结构和形态分析证实了其成功制备。体外释放实验表明，在类似肿瘤的条件下，该纳米复合材料能够响应pH值和ROS的变化而释放CPT。该纳米复合材料表现出强烈的抗炎活性（IC₅₀ = 24.10 μg/mL），并对MCF-7乳腺癌细胞具有增强的细胞毒性（IC₅₀ = 5.2 ± 0.10 μg/mL），优于对照组配方。这些结果突显了其作为靶向乳腺癌治疗生物相容性平台的潜力。

引言

活性氧（ROS）包括超氧阴离子（O₂^?）、羟基自由基（•OH）、过氧化氢（H₂O₂）和单线态氧（¹O₂），主要在线粒体、内质网以及NADPH氧化酶的作用下产生[1]。虽然低水平的ROS支持细胞的基本功能，如信号传导和免疫防御，但过量的ROS会损害蛋白质、脂质和DNA，导致癌症、心血管疾病、自身免疫疾病和神经退行性疾病[2],[3]。高水平的ROS尤其与DNA突变和癌症进展相关。乳腺癌是全球女性中最常见且最致命的癌症[4]。尽管乳腺癌有不同亚型，恶性乳腺细胞与正常细胞有显著差异，常常过度表达与黏附、分化、存活和增殖相关的受体[5],[6]。这些细胞中的代谢改变还会导致缺氧和酸性的肿瘤微环境[7]。传统的治疗方法如化疗和手术虽然有效，但受到严重副作用（例如恶心、疲劳、脱发）和药物耐药性的限制[8]。癌细胞中的基因突变会改变药物靶点，降低结合亲和力和治疗效果[9]。因此，人们正在探索替代策略，特别是纳米技术，以改进治疗方法[10]。基于纳米颗粒的药物递送系统可以实现靶向递送、提高溶解度、克服耐药性并实现控制释放[11],[12]。其中，纳米脂质体（NIOs）因其制备简单、低毒性和生物相容性而特别有前景[13]。它们能够有效封装亲水性和疏水性药物，是脂质体的有力替代品[14],[15]。 金纳米颗粒（AuNPs）由于其优异的电子、磁学、光学、机械和物理化学性质，在催化、光学、药物递送、物理学、化学、材料科学和生物医学等多个领域得到广泛应用[16],[17]。从辣木（Moringa oleifera）种子中提取的AuNPs表现出多种生物活性，包括抗增殖、抗菌、抗糖尿病、抗氧化和对抗癌细胞的细胞毒性作用[18],[19]。作为生物抗氧化剂，AuNPs可以抑制自由基的生成，从而防止氧化损伤和细胞死亡[20]。此外，AuNPs的抗菌和抗癌特性已有充分文献记载[21]。最近，辣木种子的多种成分被用于制备水溶液提取物，这些提取物在绿色合成异质AuNPs过程中起到还原和稳定作用。这些纳米颗粒通常呈三角形、六边形和准球形，对MCF-7乳腺癌细胞表现出强烈的抗增殖和催化活性。 碳水化合物，包括单糖和多糖，是天然丰富的生物分子，因其还原和稳定能力而受到重视，使其成为绿色合成金属纳米颗粒的理想选择[22]。葡萄糖、蔗糖、卡拉胶寡糖、右旋糖酐、淀粉、岩藻多糖、琼脂糖和吉兰胶等碳水化合物已被用于合成AuNPs。壳聚糖（CS）是一种由β-1,4-连接的N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖胺单元组成的氨基多糖，也被广泛使用[23],[24]。从环境角度来看，CS是一种绿色、可生物降解且无毒的聚合物，来源于甲壳类动物的生物聚合物几丁质[25]。研究表明，CS可以从羟基和氨基团捐赠电子，将Au(III)还原为Au⁰。其氨基团还可以与四氯金离子（[AuCl₄]^?发生静电相互作用，使CS同时具有还原和稳定作用[26],[27],[28]。CS包覆的AuNPs（CS-AuNPs）已被应用于肿瘤成像、药物/基因递送、光疗和比色传感[29],[30],[31]。次级代谢产物或天然产物对植物防御至关重要，并因其对生物靶点的特异性而显示出治疗潜力。值得注意的例子包括喜树碱（CPT）、长春碱和紫杉醇，它们被广泛用于或正在研究中用于癌症治疗[32]。CPT是一种来自喜树（Camptotheca acuminata）的五环单萜类生物碱，含有喹啉环，存在两种形式：活性的内酯形式和非活性的羧酸盐形式[33]。在生理pH值下，内酯形式会水解为羧酸盐形式，后者会与血浆蛋白结合并从血液中迅速清除[19]。早期的临床研究使用了羧酸盐形式，但由于毒性和水溶性差而停止使用。CPT对拓扑异构酶I的抑制作用使其被用于治疗实体瘤。然而，其低溶解性和内酯的不稳定性限制了其临床应用。因此，开发了基于纳米颗粒的递送系统来稳定内酯环、提高溶解度并增强治疗效果[20]。 在这项研究中，我们使用辣木种子提取物作为还原和稳定剂，绿色合成了AuNPs，并将其纳入CS基质中，制备成NIOs，开发出一种用于靶向乳腺癌治疗的CPT负载递送系统（NIOs/AuNPs-CS/CPT）。该配方基于物理化学性质、包封效率和双pH/ROS响应的药物释放行为进行了表征。评估了NIOs/AuNPs-CS/CPT对乳腺癌细胞的细胞摄取、细胞毒性和凋亡/坏死诱导作用，以评估其生物学效应。此外，还研究了其抗炎和抗癌潜力，强调了其在生物医学应用中的前景。

材料

干燥的辣木（Moringa oleifera）种子来自印度泰米尔纳德邦Kalavakkam的当地市场。分析级氯金酸（HAuCl₄·3H₂O，99.9%）购自Merck。卵磷脂（LEC，C₃₅H₆₆NO₇P）、喜树碱（CPT，C₂₀H₁₆N₂O₄）和壳聚糖（CS，C₁₈H₃₅N₃O₁₃）购自Alfa Aesar。所有实验均使用双蒸水（DD）进行。Sigma-Aldrich提供的其他试剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。

辣木种子提取物的制备

S1显示了...

UV–可见光谱分析

UV–Vis光谱证实了绿色合成的AuNPs的形成，颜色从黄色变为红宝石红色，这是由于金属纳米颗粒的表面等离子体共振（SPR）[42],[43]。这种颜色变化是由于种子提取物中的植物化学物质还原并包覆了金离子，产生了具有约535 nm特征吸收值的稳定AuNPs。285 nm处的额外峰对应于提取物中黄酮类多酚的π–π*跃迁[44]。提取物的影响...

结论

从单一疗法转向联合疗法在癌症治疗中具有多种优势，包括减少副作用和提高治疗效果。在这项研究中，我们成功合成并表征了一种多功能纳米载体系统NIOs/AuNPs-CS/CPT，用于靶向治疗乳腺癌。利用NIOs的两亲性质，CPT被有效地封装在疏水核心中，而表面则覆盖了CS稳定的AuNPs-CS，从而...

CRediT作者贡献声明

S. Ayyanaar：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、概念化。 Gujuluva Gangatharan Vinoth Kumar：撰写 – 审稿与编辑、验证。 G. Rajagopal：资源提供、项目管理。 M. Sampath：撰写 – 审稿与编辑、可视化。 G. Sumathi：撰写 – 原始草案。 G. Senthamil Selvan：资源提供。 G. Puthilibai：验证、软件支持。

资助

作者声明没有需要披露的资助情况。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

S. Ayyanaar博士衷心感谢哥印拜陀市Kalaignarkarunanidhi理工学院的管理层、校长和研究部门对研究工作的持续支持和鼓励。