DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57190-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39987131
تاريخ النشر: 2025-02-22
المؤلف: Yandong Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المنصات النانوية لتشخيص وعلاج السرطان
نظرة عامة
تتناول الدراسة قيود العلاج المناعي التقليدي، وخاصة معدلات الاستجابة المنخفضة المنسوبة إلى بيئة الورم المثبطة للمناعة (TME). لتعزيز الفعالية العلاجية، طور الباحثون جزيئات نانوية من ZFPG (ZFPG NPs) تحتوي على نوى ZnFe₂O₄@Pt وقشور من إنزيم الأكسيداز الجلوكوزي (GOx). تظهر هذه الجزيئات النانوية أنشطة إنزيمية متعددة، وحساسية صوتية ممتازة، واستهداف مغناطيسي فعال، مما يسهل العلاج المناعي الميتالي الصوتي لسرطان البروستاتا في الفئران الذكور. يحسن الاستهداف المغناطيسي تراكم الورم بينما يظهر أيضًا بعض التركيز في الكبد والكلى.
تستخدم جزيئات ZFPG NPs تفاعل التحفيز المتسلسل متعدد الإنزيمات والحساسية الصوتية لاستنفاد الجلوتاثيون والجلوكوز، مما يزيد من إنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ويحفز انفجارات متعددة من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). يؤدي هذا التأثير المتسلسل إلى زيادة HMOX1، مما يعزز تراكم Fe²⁺ وبيروكسيدات الدهون، مما يؤدي إلى موت الخلايا المناعي. لا تعزز هذه الطريقة المبتكرة المناعة المضادة للورم من خلال تخفيف TME المثبطة للمناعة فحسب، بل تمنع أيضًا تقدم النقائل الرئوية، مما يقدم استراتيجية واعدة للتغلب على التحديات التي تواجه العلاج المناعي التقليدي.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في الدراسة، مع التركيز على المواد والإجراءات التجريبية المستخدمة لتقييم الفعالية العلاجية لمختلف الجزيئات النانوية (NPs) في خلايا السرطان. تم تقديم قائمة شاملة من المواد والمواد الكيميائية، بما في ذلك FeCl₃•6H₂O، ZnCl₂، إنزيم الأكسيداز الجلوكوزي، ومجموعات الفحص المختلفة، المستمدة من عدة موردين. من الجدير بالذكر أن الدراسة استخدمت تركيزات محددة من هذه المواد، مثل ZFP و ZFPG NPs عند 50-200 ميكروغرام/مل، لنقل خلايا السرطان على مدى 12 ساعة.
بعد النقل، تعرضت خلايا السرطان للإشعاع بالموجات فوق الصوتية (US) لمدة دقيقتين عند كثافة طاقة تبلغ 1.5 واط/سم² وتردد 1 ميغاهيرتز. تضمنت مجموعات التحكم خلايا تم علاجها بمحلول ملحي معزز بالفوسفات (PBS) وتعرضت لنفس ظروف US. تم تقييم معدل بقاء الخلايا بعد العلاج باستخدام طريقة مجموعة عد الخلايا-8 (CCK-8)، مما يسمح بتقييم كمي للتأثيرات العلاجية للجزيئات النانوية في وجود أو غياب الإشعاع بالموجات فوق الصوتية.
النتائج
شملت عملية تخليق وتوصيف جزيئات ZnFe$_2$O$_4$@Pt-PEG-GOx (ZFPG) (NPs) عملية متعددة الخطوات بدأت بتخليق جزيئات ZnFe$_2$O$_4$ (ZFO) عبر طريقة حرارية معدلة. تم بعد ذلك نمو جزيئات البلاتين (Pt) في الموقع على سطح ZFO، تلاها تعديل باستخدام Silane-PEG 2k-COOH لتعزيز التوافق الحيوي والاستقرار. ثم تم زراعة إنزيم الأكسيداز الجلوكوزي (GOx) على الجزيئات النانوية من خلال تفاعلات الأميد، التي يسهلها EDC/NHS. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، الشكل الكروي وتوزيع الحجم لجزيئات ZFO، بمتوسط قطر يبلغ 67.11 نانومتر وحجم مائي يبلغ 133.22 نانومتر.
أظهر التحليل الإضافي أن جزيئات ZFPG NPs حافظت على شكلها بعد التعديل الوظيفي، مع زيادة الأحجام المائية إلى 152.93 نانومتر و185.24 نانومتر لجزيئات ZnFe$_2$O$_4$@Pt-PEG و ZFPG NPs، على التوالي. أكدت خريطة العناصر وطيف الإلكترون السيني (XPS) الدمج الناجح لـ Zn و Fe و O و Pt، مع قياس محتوى Pt عند 3.45%. أظهرت الخصائص المغناطيسية لجزيئات ZFPG NPs سلوكًا فائق المغناطيسية، مع مغنطة مشبعة تبلغ 71.49 emu g$^{-1}$، مما يشير إلى إمكاناتها للاستهداف المغناطيسي في الجسم الحي. بشكل عام، تظهر النتائج التخليق الناجح والتعديل الوظيفي لجزيئات ZFPG NPs، مما يثبت ملاءمتها للتطبيقات الطبية الحيوية.
المناقشة
تظهر جزيئات ZFPG (NPs) أنشطة شبيهة بالإنزيمات متعددة، تحاكي الأكسيداز (POD)، الكاتلاز (CAT)، الأكسيداز (OXD)، إنزيم الأكسيداز الجلوكوزي (GOx)، وأكسيداز الجلوتاثيون (GSHOx)، مما يعزز بشكل جماعي الإجهاد التأكسدي في بيئات الورم. تم تأكيد النشاط الشبيه بـ POD من خلال أكسدة 3،3′،5،5′-تترا ميثيل بنزيدين (TMB) في وجود بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، مما يظهر ملفًا حركيًا واضحًا لمعادلة ميكائيل-مينتن مع معدل تفاعل أقصى ($V_{max}$) يبلغ $1.72 \times 10^{-7} \, \text{M s}^{-1}$ وثابت ميكائيل-مينتن ($K_m$) يبلغ 0.773 مللي مول، مما يشير إلى تقارب قوي لبيروكسيد الهيدروجين. يعزز إدخال الزنك في جزيئات ZFPG الثنائية المعدنية كفاءتها التحفيزية من خلال تسهيل امتصاص H₂O₂ وتعزيز توليد الجذور الهيدروكسيلية (•OH)، والتي تعتبر حاسمة لتحفيز الإجهاد التأكسدي في خلايا السرطان.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر جزيئات ZFPG NPs تأثيرات صوتية ديناميكية معززة، حيث تولد الأكسجين الأحادي (¹O₂) تحت إشعاع الموجات فوق الصوتية (US)، مما يساهم بشكل أكبر في إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). تشير نتائج طيف الامتصاص الكهربائي (EIS) إلى تحسين خصائص نقل الشحنة في جزيئات ZFP NPs، مما يسهل النشاط التحفيزي المعزز. تكشف الدراسات في المختبر أن جزيئات ZFPG NPs تقلل بشكل كبير من حيوية خلايا السرطان، خاصة عند دمجها مع علاج US، مما يظهر تأثيرًا تآزريًا للعلاج الديناميكي للإنزيمات (EDT) والعلاج الصوتي الديناميكي (SDT). يؤدي العلاج أيضًا إلى زيادة التعبير عن جزيئات الإشارة المناعية، مثل الكالريتكلين (CRT) ومجموعة الصندوق عالية الحركة 1 (HMGB1)، المرتبطة بالاستجابات المناعية المعززة ضد الأورام. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن جزيئات ZFPG NPs يمكن أن تحفز بشكل فعال الموت الخلوي المناعي وتعزز الإشارات المناعية، مما يجعلها مرشحين واعدين لعلاج السرطان.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57190-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39987131
Publication Date: 2025-02-22
Author(s): Yandong Wang et al.
Primary Topic: Nanoplatforms for cancer theranostics
Overview
The study addresses the limitations of conventional immunotherapy, particularly its low response rates attributed to the immunosuppressive tumor microenvironment (TME). To enhance therapeutic efficacy, the researchers developed ZFPG nanoparticles (ZFPG NPs) featuring ZnFe₂O₄@Pt cores and glucose oxidase (GOx) shells. These nanoparticles exhibit five-enzyme activities, excellent sonosensitivity, and effective magnetic targeting, which collectively facilitate sono-metallo-immunotherapy for prostate cancer in male mice. The magnetic targeting improves tumor accumulation while also showing some enrichment in the liver and kidneys.
The ZFPG NPs utilize multienzyme cascade catalysis and sonosensitivity to deplete glutathione and glucose, thereby increasing the generation of hydrogen peroxide (H₂O₂) and inducing multiple bursts of reactive oxygen species (ROS). This cascade effect upregulates HMOX1, promoting the accumulation of Fe²⁺ and lipid peroxides, which leads to immunogenic ferroptosis. This innovative approach not only enhances anti-tumor immunity by mitigating the immunosuppressive TME but also inhibits lung metastatic progression, presenting a promising strategy to overcome the challenges faced by traditional immunotherapy.
Methods
In this section, the methods employed in the study are detailed, focusing on the materials and experimental procedures used to evaluate the therapeutic efficacy of various nanoparticles (NPs) in cancer cells. A comprehensive list of reagents and materials is provided, including FeCl₃•6H₂O, ZnCl₂, glucose oxidase, and various assay kits, sourced from multiple suppliers. Notably, the study utilized specific concentrations of these materials, such as ZFP and ZFPG NPs at 50-200 μg/mL, to transfect cancer cells over a 12-hour period.
Following transfection, the cancer cells were subjected to ultrasound (US) irradiation for 2 minutes at a power density of 1.5 W/cm² and a frequency of 1 MHz. Control groups included cells treated with phosphate-buffered saline (PBS) and subjected to the same US conditions. The cell survival rate post-treatment was evaluated using the Cell Counting Kit-8 (CCK-8) method, allowing for a quantitative assessment of the therapeutic effects of the NPs in the presence or absence of US irradiation.
Results
The synthesis and characterization of ZnFe$_2$O$_4$@Pt-PEG-GOx (ZFPG) nanoparticles (NPs) involved a multi-step process beginning with the synthesis of ZnFe$_2$O$_4$ (ZFO) NPs via a modified solvothermal method. Platinum (Pt) NPs were subsequently grown in situ on the ZFO surface, followed by PEGylation using Silane-PEG 2k-COOH to enhance biocompatibility and stability. Glucose oxidase (GOx) was then grafted onto the NPs through amidation reactions facilitated by EDC/NHS. Characterization techniques, including transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS), confirmed the spherical morphology and size distribution of the ZFO NPs, with an average diameter of 67.11 nm and a hydrated size of 133.22 nm.
Further analysis revealed that the ZFPG NPs maintained their morphology post-functionalization, with hydrated sizes increasing to 152.93 nm and 185.24 nm for ZnFe$_2$O$_4$@Pt-PEG and ZFPG NPs, respectively. Elemental mapping and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the successful incorporation of Zn, Fe, O, and Pt, with the Pt content measured at 3.45%. The magnetic properties of the ZFPG NPs exhibited superparamagnetic behavior, with a saturation magnetization of 71.49 emu g$^{-1}$, indicating their potential for magnetic targeting in vivo. Overall, the results demonstrate the successful synthesis and functionalization of ZFPG NPs, establishing their suitability for biomedical applications.
Discussion
The ZFPG nanoparticles (NPs) exhibit intrinsic multienzyme-like activities, mimicking peroxidase (POD), catalase (CAT), oxidase (OXD), glucose oxidase (GOx), and glutathione oxidase (GSHOx), which collectively amplify oxidative stress in tumor environments. The POD-like activity was confirmed through the oxidation of 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB) in the presence of hydrogen peroxide (H₂O₂), demonstrating a clear Michaelis-Menten kinetic profile with a maximum reaction rate ($V_{max}$) of $1.72 \times 10^{-7} \, \text{M s}^{-1}$ and a Michaelis-Menten constant ($K_m$) of 0.773 mM, indicating a strong affinity for H₂O₂. The introduction of zinc in the bimetallic ZFPG NPs enhances their catalytic efficiency by facilitating the adsorption of H₂O₂ and promoting the generation of hydroxyl radicals (•OH), which are crucial for inducing oxidative stress in cancer cells.
Additionally, the ZFPG NPs demonstrate enhanced sonodynamic effects, generating singlet oxygen (¹O₂) under ultrasound (US) irradiation, which further contributes to reactive oxygen species (ROS) production. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results indicate improved charge transfer properties in ZFP NPs, facilitating enhanced catalytic activity. In vitro studies reveal that ZFPG NPs significantly reduce cancer cell viability, particularly when combined with US treatment, showcasing a synergistic effect of enzyme dynamic therapy (EDT) and sonodynamic therapy (SDT). The treatment also leads to increased expression of immune signaling molecules, such as calreticulin (CRT) and high mobility group box 1 (HMGB1), which are associated with enhanced immune responses against tumors. Overall, the findings suggest that ZFPG NPs can effectively induce ferroptosis and enhance immune signaling, making them promising candidates for cancer therapy.