基本信息
题目：Photocatalyzing CO2 to CO for Enhanced Cancer Therapy
期刊：Advanced Materials
影响因子：19.791
研究背景
癌症是世界上最严重的公共健康问题之一。人们已经做了很多努力来治疗癌症，包括化疗、光动力疗法和光热疗法等直接疗法。然而，这些疗法都面临一个共同问题，那就是对癌细胞杀伤力有限，并且对正常细胞具有细胞毒性。这一矛盾阻碍了这些疗法在癌症治疗中的有效使用。一氧化碳(CO)是一种内源性气体分子，其对细胞凋亡有广泛的影响。CO的直接使用能对癌细胞产生细胞凋亡作用，同时减少对正常细胞的毒性。本文介绍了一种能够将内源性CO2转化为CO的新型光催化纳米材料HisAgCCN，并对其良好的生物相容性和抗癌化疗效果进行了说明。
研究内容及结果
1. 光催化纳米材料的示意图及其化疗强化过程如图1所示。首先，通过热分解法合成碳点和尿素衍生的碳点修饰C3N4(CCN)。然后，将Ag3PO4纳米颗粒掺杂到CCN中以制备AgCCN。通过固相合成制备富含组氨酸的肽CHHHHGRGD和富含赖氨酸的肽CKKKKGRGD，并与AgCCN偶联，通过自发形成的Ag原子和半胱氨酸硫醇之间的Ag-S键，获得HisAgCCN和LysAgCCN以增强CO2收集效果。
2. 通过动态光散射和透射电子显微镜（TEM）证实，HisAgCCN和LysAgCCN的大小均在200nm左右（图2a）。AgCCN的X射线衍射（XRD）谱显示对应到Ag3PO4和CCN的衍射峰（图2b）。并且AgCCN的Ag 3d轨道的X射线光电子能谱（XPS）对应于Ag3PO4中的Ag +峰。表明在制备AgCCN过程中成功形成了Ag3PO4（图2c）。
3. 用典型的肌红蛋白测定法研究AgCCN的CO释放特性。经过不同时间照射后，563 nm处肌红蛋白带强度降低，543 nm和581 nm处的两条带增强，表明CO与Mb的铁中心结合，Mb成功转化为MbCO（图2d）。图2e表明，该材料比其他还原产品具有较高的将CO2还原成CO的能力。此外，HisAgCCN还表现出比AgCCN和LysAgCCN更强的催化能力。
4. 如图2g所示，在HisAgCCN和LysAgCCN处理后，在人前列腺癌细胞（PC-3）中可以观察到强的绿色荧光，这表明CO2捕获肽可以提高培养基中AgCCN的CO产生能力。另外，细胞色素c氧化酶测定也证实了在HisAgCCN处理后细胞内CO的生成。基于这些结果，作者选取HisAgCCN作为最佳材料进行进一步研究。
5. 利用阿霉素（DOX）来研究CO的增强化疗效率。采用磺基罗丹明B蛋白染色法研究DOX和HisAgCCN的体外抗肿瘤活性。如图2h所示，低剂量的HisAgCCN对PC-3细胞活力的影响可以忽略不计。相反，当与DOX联合使用时，细胞毒性显著增强并且超过单一的DOX处理（图2i）。作者观察到静脉内（i.v.）注射HisAgCCN处理可以显著降低DOX引起的心脏毒性和肝毒性。TUNEL染色分析也证明His-AgCCN处理可以减轻由DOX引起的脾脏，肺脏和心脏细胞凋亡。
6. 先前的研究发现CO主要通过增强活性氧（ROS）和三磷酸腺苷（ATP）的产生来影响细胞行为，因此作者推测HisAgCCN可能具有相同的特征。为了证明这一假设，作者使用DCFH-DA测定法进行验证，发现两种HisAgCCN处理都能使PC-3细胞爆发性地生成ROS，如图2g所示。JC-1染色也显示出相同的结果。
7. 为了进一步探讨HisAgCCN的抗癌机制，作者利用iTRAQ研究HisAgCCN处理前后PC-3细胞的蛋白质组变化。结果共鉴定到4052种蛋白质。如图3a-c所示，根据GO分类，所有鉴定的蛋白质可分为三大类（生物学过程，细胞成分和分子功能），进一步细分为59个GO条目。如图3d所示，共鉴定到146种差异表达的蛋白（P≤0.05），其中104种上调，42种下调蛋白质。根据GO分类，图3e、f显示了上调和下调的差异表达蛋白之间的差异。如图3所示，作者发现所有的线粒体（17种蛋白质），线粒体部分（11种蛋白质）和核糖体（2种蛋白质）相关蛋白质均被上调。这些数据表明，通过HisAgCCN处理产生的CO诱导靶向线粒体蛋白质的上调，这与线粒体生物发生的特征相一致。另外，在49个显著富集的GO术语中，可观察到线粒体不同部分的富集，包括类核，基质，内腔，膜，外膜，膜间和包膜。 这一结果表明，HisAgCCN产生的CO主要影响线粒体功能（图3h）。
8. 此外，作者对鉴定到的蛋白进行KEGG注释。图3i显示了一些重要的KEGG途径。作者发现HisAgCCN处理上调了PC-3细胞的代谢相关功能，特别是与需氧呼吸相关的功能如三羧酸循环和氧化磷酸化。还发现糖酵解和糖异生相关蛋白也被下调。这些结果也表明增强的线粒体生物合成将有氧呼吸转变为无氧呼吸。
9. 为了阐明蛋白之间潜在的相互作用，作者利用STRING绘制了上调和下调蛋白质的蛋白质-蛋白质相互作用网络（图3j）。除了线粒体相关的蛋白质-蛋白质相互作用网络外，STRING还表明HisAgCCN导致参与调节反应（特别是氧化应激）的大量二元相互作用。这些结果表明，HisAgCCN不仅增强了线粒体功能和生物发生，而且增强了细胞内氧化应激，与作者之前的发现和推测完全一致。根据上述分析，作者提出了一个可能的机制来解释HisAgCCN对癌细胞和正常细胞的相互矛盾的特征，如图3k所示。对于具有强大线粒体功能的正常细胞，HisAgCCN可激活线粒体生物合成，进一步提高其抗凋亡能力。作者还利用蛋白质印迹法和免疫荧光图像研究了该途径中一些重要蛋白质的变化，结果与蛋白质组学检测结果一致。
10. 作者利用花青染料Cy5.5修饰HisAgCCN和AgCCN表面。利用体内成像系统来研究肿瘤靶向能力。如图4a所示，给小鼠注射HisAgCCN和AgCCN后，在肝脏中可观察到累积的荧光信号。然而，在HisAgCCN处理组中，随着时间延长，肿瘤位置的荧光强度变得更强，并在注射后4小时达到最大值（图4c）。相反，在AgCCN注射小鼠中可观察到的肿瘤内荧光很少。在注射后24小时，进行透照成像以获得HisAgCCN和AgCCN的深度信息和荧光强度。肿瘤的离体荧光图像也证实了这一结果。如图4b所示，重建的3D荧光图像显示大部分Cy5.5荧光位于肿瘤中。此外，作者还证明HisAgCCN可以在96小时内从小鼠体内排出（图4c）。
11. 作者研究了静脉注射的抗癌效率（图4d）。如图4e、f所示，作者发现单独注射HisAgCCN或CORM几乎没有抗癌作用。虽然DOX可以在一定程度上抑制肿瘤生长，但通过联合生产策略，治疗效果显著增强。此外，DOX + HisAgCCN显示出比CORM + DOX更高的肿瘤抑制率。随后，苏木精-伊红和TUNEL染色分析也证实了HisAgCCN的治疗效果。在整个治疗过程中没有发现明显的副作用。此外，AKT-1，HMOX-1，NRF-1和NRF-2的肿瘤内荧光显著增加也表明HisAgCCN的体内治疗可能与所提出的机制具有相同的途径（图4g）。
12. 作者在DOX + HisAgCCN / PBS和DOX / PBS样品组中检测到133种差异瘤内代谢物。如图4h所示，主成分分析（PCA）显示，用PBS，DOX或DOX + HisAgCCN处理的小鼠收集的肿瘤显示出组特异性代谢标记。发现HisAgCCN + DOX处理组显著增强了DOX的糖代谢，氨基酸代谢，嘌呤/嘧啶代谢和脂质代谢抑制（图4i）。这些结果表明治疗后对肿瘤生长和代谢具有抑制作用。另外，作者发现DOX处理能增强一些葡萄糖相关代谢物，而DOX + HisAgCCN能缓解这一趋势并能促进有氧呼吸（图4j）。在代谢水平上，这一结果如实地证实了HisAgCCN也能诱导肿瘤内线粒体生物合成。
文章小结
本研究提供了一种在光催化的作用下，将丰富的内源性CO2转化成CO的方法。作者发现HisAgCCN产生的CO可以显著提高肿瘤细胞对DOX的敏感性，同时保护正常细胞免受化疗的影响，从而提高化疗的治疗效果。蛋白质组学和代谢组学研究表明，HisAgCCN可以增强线粒体的生物合成，特异性地增强癌细胞的氧化应激反应。体内研究表明HisAgCCN / DOX联合治疗具有协同抑瘤作用，可为临床癌症治疗提供新的方向。
解析文献
Zheng D W, Li B, Li C X, et al. Photocatalyzing CO2 to CO for Enhanced Cancer Therapy[J]. Advanced Materials, 2017:1703822.
参考文献
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