客戶文章分享：光催化二氧化碳轉化為一氧化碳以增強癌癥治療效果
信息來源：金開瑞 作者：genecreate 發布時間：2017-12-08 14:31:33
基本信息
題目：Photocatalyzing CO2 to CO for Enhanced Cancer Therapy
期刊：Advanced Materials
影響因子：19.791
合作技術：iTRAQ
期刊：Advanced Materials
影響因子：19.791
合作技術：iTRAQ
研究背景
癌癥是世界上最嚴重的公共健康問題之一。人們已經做了很多努力來治療癌癥，包括化療、光動力療法和光熱療法等直接療法。然而，這些療法都面臨一個共同問題，那就是對癌細胞殺傷力有限，并且對正常細胞具有細胞毒性。這一矛盾阻礙了這些療法在癌癥治療中的有效使用。一氧化碳(CO)是一種內源性氣體分子，其對細胞凋亡有廣泛的影響。CO的直接使用能對癌細胞產生細胞凋亡作用，同時減少對正常細胞的毒性。本文介紹了一種能夠將內源性CO2轉化為CO的新型光催化納米材料HisAgCCN，并對其良好的生物相容性和抗癌化療效果進行了說明。
研究內容及結果
1. 光催化納米材料的示意圖及其化療強化過程如圖1所示。首先，通過熱分解法合成碳點和尿素衍生的碳點修飾C3N4(CCN)。然后，將Ag3PO4納米顆粒摻雜到CCN中以制備AgCCN。通過固相合成制備富含組氨酸的肽CHHHHGRGD和富含賴氨酸的肽CKKKKGRGD，并與AgCCN偶聯，通過自發形成的Ag原子和半胱氨酸硫醇之間的Ag-S鍵，獲得HisAgCCN和LysAgCCN以增強CO2收集效果。
2. 通過動態光散射和透射電子顯微鏡（TEM）證實，HisAgCCN和LysAgCCN的大小均在200nm左右（圖2a）。AgCCN的X射線衍射（XRD）譜顯示對應到Ag3PO4和CCN的衍射峰（圖2b）。并且AgCCN的Ag 3d軌道的X射線光電子能譜（XPS）對應于Ag3PO4中的Ag +峰。表明在制備AgCCN過程中成功形成了Ag3PO4（圖2c）。
3. 用典型的肌紅蛋白測定法研究AgCCN的CO釋放特性。經過不同時間照射后，563 nm處肌紅蛋白帶強度降低，543 nm和581 nm處的兩條帶增強，表明CO與Mb的鐵中心結合，Mb成功轉化為MbCO（圖2d）。圖2e表明，該材料比其他還原產品具有較高的將CO2還原成CO的能力。此外，HisAgCCN還表現出比AgCCN和LysAgCCN更強的催化能力。
4. 如圖2g所示，在HisAgCCN和LysAgCCN處理后，在人前列腺癌細胞（PC-3）中可以觀察到強的綠色熒光，這表明CO2捕獲肽可以提高培養基中AgCCN的CO產生能力。另外，細胞色素c氧化酶測定也證實了在HisAgCCN處理后細胞內CO的生成。基于這些結果，作者選取HisAgCCN作為最佳材料進行進一步研究。
5. 利用阿霉素（DOX）來研究CO的增強化療效率。采用磺基羅丹明B蛋白染色法研究DOX和HisAgCCN的體外抗腫瘤活性。如圖2h所示，低劑量的HisAgCCN對PC-3細胞活力的影響可以忽略不計。相反，當與DOX聯合使用時，細胞毒性顯著增強并且超過單一的DOX處理（圖2i）。作者觀察到靜脈內（i.v.）注射HisAgCCN處理可以顯著降低DOX引起的心臟毒性和肝毒性。TUNEL染色分析也證明His-AgCCN處理可以減輕由DOX引起的脾臟，肺臟和心臟細胞凋亡。
6. 先前的研究發現CO主要通過增強活性氧（ROS）和三磷酸腺苷（ATP）的產生來影響細胞行為，因此作者推測HisAgCCN可能具有相同的特征。為了證明這一假設，作者使用DCFH-DA測定法進行驗證，發現兩種HisAgCCN處理都能使PC-3細胞爆發性地生成ROS，如圖2g所示。JC-1染色也顯示出相同的結果。
3. 用典型的肌紅蛋白測定法研究AgCCN的CO釋放特性。經過不同時間照射后，563 nm處肌紅蛋白帶強度降低，543 nm和581 nm處的兩條帶增強，表明CO與Mb的鐵中心結合，Mb成功轉化為MbCO（圖2d）。圖2e表明，該材料比其他還原產品具有較高的將CO2還原成CO的能力。此外，HisAgCCN還表現出比AgCCN和LysAgCCN更強的催化能力。
4. 如圖2g所示，在HisAgCCN和LysAgCCN處理后，在人前列腺癌細胞（PC-3）中可以觀察到強的綠色熒光，這表明CO2捕獲肽可以提高培養基中AgCCN的CO產生能力。另外，細胞色素c氧化酶測定也證實了在HisAgCCN處理后細胞內CO的生成。基于這些結果，作者選取HisAgCCN作為最佳材料進行進一步研究。
5. 利用阿霉素（DOX）來研究CO的增強化療效率。采用磺基羅丹明B蛋白染色法研究DOX和HisAgCCN的體外抗腫瘤活性。如圖2h所示，低劑量的HisAgCCN對PC-3細胞活力的影響可以忽略不計。相反，當與DOX聯合使用時，細胞毒性顯著增強并且超過單一的DOX處理（圖2i）。作者觀察到靜脈內（i.v.）注射HisAgCCN處理可以顯著降低DOX引起的心臟毒性和肝毒性。TUNEL染色分析也證明His-AgCCN處理可以減輕由DOX引起的脾臟，肺臟和心臟細胞凋亡。
6. 先前的研究發現CO主要通過增強活性氧（ROS）和三磷酸腺苷（ATP）的產生來影響細胞行為，因此作者推測HisAgCCN可能具有相同的特征。為了證明這一假設，作者使用DCFH-DA測定法進行驗證，發現兩種HisAgCCN處理都能使PC-3細胞爆發性地生成ROS，如圖2g所示。JC-1染色也顯示出相同的結果。
7. 為了進一步探討HisAgCCN的抗癌機制，作者利用iTRAQ研究HisAgCCN處理前后PC-3細胞的蛋白質組變化。結果共鑒定到4052種蛋白質。如圖3a-c所示，根據GO分類，所有鑒定的蛋白質可分為三大類（生物學過程，細胞成分和分子功能），進一步細分為59個GO條目。如圖3d所示，共鑒定到146種差異表達的蛋白（P≤0.05），其中104種上調，42種下調蛋白質。根據GO分類，圖3e、f顯示了上調和下調的差異表達蛋白之間的差異。如圖3所示，作者發現所有的線粒體（17種蛋白質），線粒體部分（11種蛋白質）和核糖體（2種蛋白質）相關蛋白質均被上調。這些數據表明，通過HisAgCCN處理產生的CO誘導靶向線粒體蛋白質的上調，這與線粒體生物發生的特征相一致。另外，在49個顯著富集的GO術語中，可觀察到線粒體不同部分的富集，包括類核，基質，內腔，膜，外膜，膜間和包膜。 這一結果表明，HisAgCCN產生的CO主要影響線粒體功能（圖3h）。
8. 此外，作者對鑒定到的蛋白進行KEGG注釋。圖3i顯示了一些重要的KEGG途徑。作者發現HisAgCCN處理上調了PC-3細胞的代謝相關功能，特別是與需氧呼吸相關的功能如三羧酸循環和氧化磷酸化。還發現糖酵解和糖異生相關蛋白也被下調。這些結果也表明增強的線粒體生物合成將有氧呼吸轉變為無氧呼吸。
9. 為了闡明蛋白之間潛在的相互作用，作者利用STRING繪制了上調和下調蛋白質的蛋白質-蛋白質相互作用網絡（圖3j）。除了線粒體相關的蛋白質-蛋白質相互作用網絡外，STRING還表明HisAgCCN導致參與調節反應（特別是氧化應激）的大量二元相互作用。這些結果表明，HisAgCCN不僅增強了線粒體功能和生物發生，而且增強了細胞內氧化應激，與作者之前的發現和推測完全一致。根據上述分析，作者提出了一個可能的機制來解釋HisAgCCN對癌細胞和正常細胞的相互矛盾的特征，如圖3k所示。對于具有強大線粒體功能的正常細胞，HisAgCCN可激活線粒體生物合成，進一步提高其抗凋亡能力。作者還利用蛋白質印跡法和免疫熒光圖像研究了該途徑中一些重要蛋白質的變化，結果與蛋白質組學檢測結果一致。
8. 此外，作者對鑒定到的蛋白進行KEGG注釋。圖3i顯示了一些重要的KEGG途徑。作者發現HisAgCCN處理上調了PC-3細胞的代謝相關功能，特別是與需氧呼吸相關的功能如三羧酸循環和氧化磷酸化。還發現糖酵解和糖異生相關蛋白也被下調。這些結果也表明增強的線粒體生物合成將有氧呼吸轉變為無氧呼吸。
9. 為了闡明蛋白之間潛在的相互作用，作者利用STRING繪制了上調和下調蛋白質的蛋白質-蛋白質相互作用網絡（圖3j）。除了線粒體相關的蛋白質-蛋白質相互作用網絡外，STRING還表明HisAgCCN導致參與調節反應（特別是氧化應激）的大量二元相互作用。這些結果表明，HisAgCCN不僅增強了線粒體功能和生物發生，而且增強了細胞內氧化應激，與作者之前的發現和推測完全一致。根據上述分析，作者提出了一個可能的機制來解釋HisAgCCN對癌細胞和正常細胞的相互矛盾的特征，如圖3k所示。對于具有強大線粒體功能的正常細胞，HisAgCCN可激活線粒體生物合成，進一步提高其抗凋亡能力。作者還利用蛋白質印跡法和免疫熒光圖像研究了該途徑中一些重要蛋白質的變化，結果與蛋白質組學檢測結果一致。
10. 作者利用花青染料Cy5.5修飾HisAgCCN和AgCCN表面。利用體內成像系統來研究腫瘤靶向能力。如圖4a所示，給小鼠注射HisAgCCN和AgCCN后，在肝臟中可觀察到累積的熒光信號。然而，在HisAgCCN處理組中，隨著時間延長，腫瘤位置的熒光強度變得更強，并在注射后4小時達到最大值（圖4c）。相反，在AgCCN注射小鼠中可觀察到的腫瘤內熒光很少。在注射后24小時，進行透照成像以獲得HisAgCCN和AgCCN的深度信息和熒光強度。腫瘤的離體熒光圖像也證實了這一結果。如圖4b所示，重建的3D熒光圖像顯示大部分Cy5.5熒光位于腫瘤中。此外，作者還證明HisAgCCN可以在96小時內從小鼠體內排出（圖4c）。
11. 作者研究了靜脈注射的抗癌效率（圖4d）。如圖4e、f所示，作者發現單獨注射HisAgCCN或CORM幾乎沒有抗癌作用。雖然DOX可以在一定程度上抑制腫瘤生長，但通過聯合生產策略，治療效果顯著增強。此外，DOX + HisAgCCN顯示出比CORM + DOX更高的腫瘤抑制率。隨后，蘇木精-伊紅和TUNEL染色分析也證實了HisAgCCN的治療效果。在整個治療過程中沒有發現明顯的副作用。此外，AKT-1，HMOX-1，NRF-1和NRF-2的腫瘤內熒光顯著增加也表明HisAgCCN的體內治療可能與所提出的機制具有相同的途徑（圖4g）。
12. 作者在DOX + HisAgCCN / PBS和DOX / PBS樣品組中檢測到133種差異瘤內代謝物。如圖4h所示，主成分分析（PCA）顯示，用PBS，DOX或DOX + HisAgCCN處理的小鼠收集的腫瘤顯示出組特異性代謝標記。發現HisAgCCN + DOX處理組顯著增強了DOX的糖代謝，氨基酸代謝，嘌呤/嘧啶代謝和脂質代謝抑制（圖4i）。這些結果表明治療后對腫瘤生長和代謝具有抑制作用。另外，作者發現DOX處理能增強一些葡萄糖相關代謝物，而DOX + HisAgCCN能緩解這一趨勢并能促進有氧呼吸（圖4j）。在代謝水平上，這一結果如實地證實了HisAgCCN也能誘導腫瘤內線粒體生物合成。
11. 作者研究了靜脈注射的抗癌效率（圖4d）。如圖4e、f所示，作者發現單獨注射HisAgCCN或CORM幾乎沒有抗癌作用。雖然DOX可以在一定程度上抑制腫瘤生長，但通過聯合生產策略，治療效果顯著增強。此外，DOX + HisAgCCN顯示出比CORM + DOX更高的腫瘤抑制率。隨后，蘇木精-伊紅和TUNEL染色分析也證實了HisAgCCN的治療效果。在整個治療過程中沒有發現明顯的副作用。此外，AKT-1，HMOX-1，NRF-1和NRF-2的腫瘤內熒光顯著增加也表明HisAgCCN的體內治療可能與所提出的機制具有相同的途徑（圖4g）。
12. 作者在DOX + HisAgCCN / PBS和DOX / PBS樣品組中檢測到133種差異瘤內代謝物。如圖4h所示，主成分分析（PCA）顯示，用PBS，DOX或DOX + HisAgCCN處理的小鼠收集的腫瘤顯示出組特異性代謝標記。發現HisAgCCN + DOX處理組顯著增強了DOX的糖代謝，氨基酸代謝，嘌呤/嘧啶代謝和脂質代謝抑制（圖4i）。這些結果表明治療后對腫瘤生長和代謝具有抑制作用。另外，作者發現DOX處理能增強一些葡萄糖相關代謝物，而DOX + HisAgCCN能緩解這一趨勢并能促進有氧呼吸（圖4j）。在代謝水平上，這一結果如實地證實了HisAgCCN也能誘導腫瘤內線粒體生物合成。
文章小結
本研究提供了一種在光催化的作用下，將豐富的內源性CO2轉化成CO的方法。作者發現HisAgCCN產生的CO可以顯著提高腫瘤細胞對DOX的敏感性，同時保護正常細胞免受化療的影響，從而提高化療的治療效果。蛋白質組學和代謝組學研究表明，HisAgCCN可以增強線粒體的生物合成，特異性地增強癌細胞的氧化應激反應。體內研究表明HisAgCCN / DOX聯合治療具有協同抑瘤作用，可為臨床癌癥治療提供新的方向。
解析文獻
Zheng D W, Li B, Li C X, et al. Photocatalyzing CO2 to CO for Enhanced Cancer Therapy[J]. Advanced Materials, 2017:1703822.
參考文獻
1．J. Conde, N. Oliva, Y. Zhang, N. Artzi, Nat. Mater. 2016, 15, 1128.
2. D. W. Zheng, Q. Lei, J. Y. Zhu, J. X. Fan, C. X. Li, C. Li, Z. Xu, S. X. Cheng, X. Z. Zhang, Nano Lett. 2017, 17, 284.
3. C. Zhang, D. Ni, Y. Liu, H. Yao, W. Bu, J. Shi, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 378.
4. Z. Meng, F. Wei, R. Wang, M. Xia, Z. Chen, H. Wang, M. Zhu, Adv. Mater. 2016, 28, 245.
5. W. H. Chen, G. F. Luo, Q. Lei, S. Hong, W. X. Qiu, L. H. Liu, S. X. Cheng, X. Z. Zhang, ACS Nano 2017, 11, 1419.
6. X. Ji, C. Zhou, K. Ji, R. E. Aghoghovbia, Z. Pan, V. Chittavong, B. Ke, B. Wang, Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 15846.
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5. W. H. Chen, G. F. Luo, Q. Lei, S. Hong, W. X. Qiu, L. H. Liu, S. X. Cheng, X. Z. Zhang, ACS Nano 2017, 11, 1419.
6. X. Ji, C. Zhou, K. Ji, R. E. Aghoghovbia, Z. Pan, V. Chittavong, B. Ke, B. Wang, Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 15846.
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