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針對(duì)上述問題，華東師范大學(xué)徐志愛教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于雙層微針（MN）系統(tǒng)的創(chuàng)新治療策略，用于時(shí)空可控的蛋白質(zhì)降解和聯(lián)合治療GBM。該系統(tǒng)外層包含酸敏感的PROTAC納米顆粒，可在腫瘤酸性環(huán)境中特異性釋放并降解溴結(jié)構(gòu)域蛋白4（BRD4）；內(nèi)層則包含自氧合的BSA-MnO?納米顆粒，用于持續(xù)釋放氧氣以緩解腫瘤缺氧并增強(qiáng)光動(dòng)力療法（PDT）的效果。通過近紅外光激活光敏劑，產(chǎn)生單線態(tài)氧（1O?），進(jìn)一步激活PROTAC并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的腫瘤治療（圖1）。這種局部遞藥平臺(tái)能夠繞過血腦屏障，減少系統(tǒng)性毒性，同時(shí)通過聯(lián)合光動(dòng)力療法和蛋白質(zhì)降解策略，顯著抑制GBM腫瘤生長，為腦腫瘤治療提供了新的思路。相關(guān)研究在2025年3月3日以 “ Self-Oxygenating PROTAC Microneedle for Spatiotemporally-Confined Protein Degradation and Enhanced Glioblastoma Therapy ”為題發(fā)表于《Advanced materials》 （DOI: 10.1002/adma.202411869）上。

圖1. 自氧合PROTAC微針平臺(tái)用于原位蛋白質(zhì)降解和增強(qiáng)GBM治療

（1）酸光雙激活PROTAC納米粒子和自氧化BM納米粒子的工程化

該研究開發(fā)了一種酸激活和光響應(yīng)型的PROTAC納米顆粒（PPT7 NPs），用于精準(zhǔn)腫瘤靶向治療。通過合成光響應(yīng)型BRD4靶向PROTAC前藥OT7，并驗(yàn)證其光響應(yīng)能力（圖2b、c）。PPT7 NPs在中性pH（7.4）下粒徑約35 nm，呈球形且分布較窄（PDI < 0.2），在酸性環(huán)境（pH 6.0）下解離（圖2d、e）。熒光實(shí)驗(yàn)表明，PPT7 NPs在pH 7.4時(shí)熒光微弱，而在pH ≤ 6.4時(shí)顯著增強(qiáng)，模擬內(nèi)質(zhì)網(wǎng)酸性微環(huán)境（圖2f、h）。此外，PPT7 NPs在酸性條件下顯著增強(qiáng)光動(dòng)力活性，1O?生成量在pH 6.0時(shí)為pH 7.4時(shí)的5倍（圖2g）。為解決腫瘤缺氧問題，研究開發(fā)了BSA包覆的二氧化錳納米顆粒（BM NPs），增強(qiáng)II型光動(dòng)力治療（PDT）激活的PROTAC效果（圖2i、j）。BM NPs在酸性條件下催化H?O?分解產(chǎn)生氧氣，氧氣生成量是中性條件的3.0倍，并顯著增加1O?和ARV771的釋放量（圖2l、m）。這些結(jié)果表明，PPT7 NPs和BM NPs在酸性條件下協(xié)同作用，有效增強(qiáng)腫瘤靶向治療效果。

圖2 酸和光雙激活PROTAC納米粒子和自氧合BM納米粒子的工程設(shè)計(jì)。（a）1O?觸發(fā)PROTAC前藥激活的示意圖；（b）HPLC確定的OC7和OT7激活度與激光輻照時(shí)間的關(guān)系；（c）HPLC定量ARV771從OT7釋放的百分比與激光輻照時(shí)間的關(guān)系；（d）pH 7.4時(shí)PPT7 NPs的代表性DLS數(shù)據(jù)和TEM圖像；（e）pH 6.0時(shí)PPT7 NPs的代表性DLS數(shù)據(jù)和TEM圖像；（f）不同pH緩沖溶液中PPT7 NPs的熒光曲線；（g）與對(duì)照PTPT7 NPs相比，不同pH值下PPT7 NPs的酸激活光動(dòng)力活性；（h）不同pH值下PPT7 NP懸浮液的酸激活熒光圖像；（i）BM NPs制造示意圖；（j）BM NPs的X射線光電子能譜；（k）pH值為7.4或6.5時(shí)，與H?O?混合的BM NP溶液中溶解的O?量；（l）在不同光照射時(shí)間下通過HPLC定量測(cè)定PPT7 + BM組和PPT7組中OT?的百分比；（m）在不同光照射時(shí)間下通過HPLC定量測(cè)定PPT7 NPs和PPT7 + BM NPs中ARV771的釋放百分比

（2）PPT7 NPs的細(xì)胞攝取、酸觸發(fā)激活及與BM NPs的協(xié)同作用

本研究通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了酸激活和光響應(yīng)型PROTAC納米顆粒（PPT7 NPs）在膠質(zhì)瘤細(xì)胞系U87-MG中的攝取、酸觸發(fā)的細(xì)胞內(nèi)激活能力以及與自供氧型BM納米顆粒（BM NPs）的協(xié)同作用。流式細(xì)胞術(shù)（FCM）顯示PPT7 NPs在3小時(shí)孵育時(shí)具有顯著的細(xì)胞攝取能力（圖3a）。共聚焦顯微鏡（CLSM）成像表明PPT7 NPs與內(nèi)吞囊泡共定位良好，而酸不敏感的PTPT7 NPs未觀察到熒光信號(hào)，證實(shí)了PPT7 NPs的酸觸發(fā)解離和熒光激活依賴于細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境（圖3b）。在酸性細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中，PPT7 NPs恢復(fù)光活性，并在671 nm激光照射下增加單線態(tài)氧（1O?）的生成，觸發(fā)ARV771的釋放用于BRD4降解（圖3c）。BM NPs通過增加氧氣生成顯著增強(qiáng)了PPT7 NPs的1O?生成效率，提高了光動(dòng)力治療（PDT）效果（圖3d）。在缺氧條件下，PPT7 NPs的光誘導(dǎo)BRD4降解能力得到驗(yàn)證，且BM NPs進(jìn)一步增強(qiáng)了這一效果（圖3e）。PPT7 NPs與激光照射的組合顯著激活了caspase-3蛋白，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而BM NPs的加入進(jìn)一步增強(qiáng)了這種激活（圖3f）。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，PPT7 NPs在光照下顯著抑制了U87-MG細(xì)胞的增殖，而PTPT7 NPs無明顯細(xì)胞毒性（圖3g）。BM NPs與PPT7 NPs聯(lián)合使用時(shí)，通過緩解缺氧進(jìn)一步增強(qiáng)了細(xì)胞毒性，降低了半抑制濃度（IC??）（圖3h）。這些結(jié)果表明，PPT7 NPs具有酸和光雙重激活特性，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空可控的蛋白降解和抗腫瘤效果，而BM NPs通過增強(qiáng)氧氣供應(yīng)顯著提升了PDT和BRD4降解的協(xié)同治療效果。

圖3 雙激活PROTAC納米粒子在體外顯示出增強(qiáng)的細(xì)胞攝取和靶向的BRD4降解特征。（a）CLSM檢查孵育12小時(shí)后PPT7 NPs的細(xì)胞內(nèi)分布；（b）U87-MG細(xì)胞對(duì)酸敏感的PPT7 NPs的攝取以及酸激活后的PDT激活示意圖；（c）CLSM檢查激光照射PPT7 NPs產(chǎn)生的1O?以及與BM NPs共孵育時(shí)產(chǎn)生的更多1O?；（d）FCM檢測(cè)不同組的1O?生成百分比；對(duì)PPT7和BM NPs的組合進(jìn)行蛋白質(zhì)印跡分析，激光照射誘導(dǎo)U87-MG細(xì)胞中的（e）BRD4降解和（f）caspase-3活化；（g）激光照射后的PPT7 NPs可有效抑制U87-MG細(xì)胞的增殖；（h）BM NPs增強(qiáng)了PPT7 NPs對(duì)U87-MG細(xì)胞的細(xì)胞毒性

（3）自供氧型PROTAC微針（SOP MN）的設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證

研究人員針對(duì)血腦屏障（BBB）在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）治療中的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)了一種雙層、可降解調(diào)節(jié)的自供氧型PROTAC微針（SOP MN），用于區(qū)域限制性遞送PPT7 NPs和BM NPs以治療GBM（圖4a）。研究中使用透明質(zhì)酸（HA）作為外層材料，實(shí)現(xiàn)PPT7 NPs的快速釋放，以促進(jìn)其在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的酸性激活；內(nèi)層則采用HA的甲基丙烯?；苌铮℉AMA），用于持續(xù)釋放BM NPs作為“供氧站”。SOP MN具有規(guī)則的圓錐形結(jié)構(gòu)，高度為800 μm，直徑為300 μm，針尖寬度約為10 μm，足以穿透皮膚和軟腦組織（圖4b-d）。其機(jī)械性能測(cè)試顯示，單層HA微針具有良好的機(jī)械強(qiáng)度（每針約1.18 N），足以穿透腦組織（圖4e）。通過H&E染色進(jìn)一步驗(yàn)證了SOP MN的穿透能力（圖4f）。為了研究PPT7 NPs和BM NPs在SOP MN內(nèi)的分布，研究者在外層HA中加載綠色熒光染料DiO，在內(nèi)層HAMA中加載紅色熒光染料DiI，結(jié)果顯示兩種納米顆粒在微針中分層分布（圖4g）。此外，通過檢測(cè)PPa和5-氨基熒光素（5-AF）的熒光強(qiáng)度，驗(yàn)證了SOP MN的雙層設(shè)計(jì)能夠調(diào)節(jié)藥物釋放：外層HA微針在5分鐘內(nèi)快速釋放80%的PDPA@PPa NPs，而內(nèi)層HAMA微針則在12小時(shí)內(nèi)緩慢釋放約40%的BM-5-AF NPs（圖4h）。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了SOP MN的分層釋放特性：外層在5分鐘內(nèi)快速釋放PPT7 NPs，內(nèi)層則在6小時(shí)內(nèi)持續(xù)釋放BM NPs（圖4i）。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PPT7 NPs的快速酸性激活和BM NPs的持續(xù)供氧，為GBM治療提供了一種高效的局部遞送策略。

圖4 設(shè)計(jì)自氧合PROTAC微針以實(shí)現(xiàn)PROTAC納米粒子和BM納米粒子的差異釋放。（a）SOP MN示意圖，包括嵌入PPT7 NPs的外層、包含BM NPs的內(nèi)層和空白基底；（b）SOP MN的光學(xué)顯微鏡圖像；（c，d）SOP MN的SEM圖像；（e）SOP MN、單層HA MN和單層HAMA MN的機(jī)械性能；（f）用SOP MN刺穿皮膚的H&E染色；（g）外層裝載DiO、內(nèi)核裝載DiI的SOP MN的代表性共聚焦圖像；（h）SOP MN（外層為PDPA@PPa、內(nèi)核為BM-5-AF）、PDPA@PPa HA MN和BM-5-AF HAMA MN在PBS溶液中的體外釋放曲線；（i）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；（j）腫瘤成像顯示MN應(yīng)用后5分鐘和6小時(shí)PPT7 NPs和BM NPs的釋放存在差異

（4）SOP MN的體內(nèi)治療效果及機(jī)制研究

研究人員通過皮下GBM腫瘤模型評(píng)估了自供氧型PROTAC微針（SOP MN）的體內(nèi)治療效果。實(shí)驗(yàn)中，通過切除覆蓋腫瘤的皮膚后植入微針并縫合傷口（圖5a, b），SOP MN直接作用于腫瘤部位，實(shí)現(xiàn)區(qū)域限制性藥物控釋。腫瘤僅接受一次671 nm激光照射，隨后監(jiān)測(cè)腫瘤生長12天。結(jié)果顯示，激光照射的PPT7 MN組（PPT7 MNL）抑制腫瘤生長約60%，而SOP MN聯(lián)合激光組（SOP MNL）的腫瘤抑制率高達(dá)86%，且生存時(shí)間最長（圖5c-e, f），表明BM NPs顯著增強(qiáng)了PROTAC和PDT的聯(lián)合治療效果。H&E染色顯示PPT7 MNL組和SOP MNL組的腫瘤細(xì)胞凋亡程度顯著高于其他組（圖5h），免疫組化（IHC）分析進(jìn)一步表明PPT7 MNL組顯著降低了BRD4蛋白水平（降低4.0倍），并增加了裂解型caspase-3的表達(dá)（增加4.3倍）（圖5i, j, l, m），這一結(jié)果通過Western blot進(jìn)一步驗(yàn)證（圖5o）。此外，SOP MNL組相比PPT7 MNL組進(jìn)一步降低了BRD4水平（降低2.8倍），并增加了裂解型caspase-3的表達(dá)（圖5i, j, l, m），表明BM NPs通過緩解缺氧顯著增強(qiáng)了PDT效果，并促進(jìn)了ARV771的釋放以降解BRD4。缺氧誘導(dǎo)因子α（HIF-α）在PP + BM MNL組和SOP MNL組中顯著降低（降低3.1倍和3.0倍）（圖5k, n），這一結(jié)果通過Western blot進(jìn)一步確認(rèn)（圖5p）。實(shí)驗(yàn)期間，小鼠體重?zé)o顯著變化（圖5g），且主要器官未觀察到明顯的組織病理學(xué)損傷，表明SOP MN在體內(nèi)具有良好的生物安全性。

圖5 自氧合PROTAC微針在體內(nèi)消退皮下膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。（a）治療方案；（b）SOP MN治療腫瘤的手術(shù)植入示意圖；（c）不同治療組的U87-MG腫瘤的個(gè)體腫瘤生長曲線和（d）相對(duì)生長曲線，（c）的統(tǒng)計(jì)分析采用雙側(cè)非配對(duì)t檢驗(yàn)；（e）在接受不同治療后第12天從小鼠身上解剖的U87-MG腫瘤照片；（f）實(shí)驗(yàn)期間荷瘤小鼠的生存曲線和（g）體重變化，（g）的統(tǒng)計(jì)分析采用單因素方差分析和Brown-Forsythe檢驗(yàn)；（h）治療后12天對(duì)腫瘤切片進(jìn)行H&E染色；IHC分析腫瘤組織中的（i）BRD4、（j）cleaved-caspase-3和（k）HIF-α表達(dá)；IHC半定量分析腫瘤切片中的（l）BRD4、（m）cleaved-caspase-3和（n）HIF-α表達(dá)，（l-n）的統(tǒng)計(jì)分析采用雙側(cè)非配對(duì)t檢驗(yàn)；對(duì)腫瘤裂解物中的（o）BRD4、cleaved caspase-3表達(dá)和（p）HIF-α進(jìn)行蛋白質(zhì)印跡分析

（5）SOP MN在原位GBM模型中的區(qū)域限制性釋藥與抗腫瘤效果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自供氧型PROTAC微針（SOP MN）的區(qū)域限制性藥物釋放性能和抗腫瘤效果，研究者利用原位膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）小鼠模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在植入U(xiǎn)87-MG-Luc細(xì)胞后的第五天，小鼠頭骨被手術(shù)暴露，SOP MN被精準(zhǔn)插入腫瘤部位，以實(shí)現(xiàn)納米顆粒在GBM區(qū)域的局部釋放（圖6a, b）。這種方法使PPT7 NPs和BM NPs能夠繞過血腦屏障（BBB）。生物發(fā)光成像、半定量分析以及腦切片的H&E染色顯示，SOP MN聯(lián)合激光組（SOP MNL）顯著減少了腫瘤體積，與PBS MN組相比差異顯著（圖6c-f），且兩只小鼠的GBM腫瘤被完全消除。生存曲線表明，SOP MNL組顯著延長了GBM荷瘤小鼠的生存時(shí)間（圖6g）。機(jī)制分析顯示，SOP MNL組的腫瘤細(xì)胞凋亡比例顯著高于PBS MN組（圖6j），且Western blot和免疫組化（IHC）分析表明，SOP MNL組在體內(nèi)將BRD4降低了2.8倍，裂解型caspase-3的表達(dá)增加了3.8倍（圖6i, k, m, n），表明PDT和BRD4降解通過激活裂解型caspase-3介導(dǎo)的凋亡抑制了腫瘤生長。此外，HIF-α表達(dá)量降低了3.7倍（圖6l, n），表明BM NPs通過緩解腫瘤缺氧增強(qiáng)了PDT效果并促進(jìn)了ARV771的釋放。實(shí)驗(yàn)期間，小鼠體重變化不大（圖6h），且SOP MNL組小鼠未表現(xiàn)出顯著的行為異常，表明SOP MN具有良好的生物安全性。綜上所述，SOP MN實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的時(shí)空限制性釋放，繞過了BBB，并通過精準(zhǔn)下調(diào)BRD4和上調(diào)裂解型caspase-3有效抑制了腫瘤生長，同時(shí)BM NPs的參與進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)原位腦腫瘤的治療效果。

圖6 自氧合PROTAC微針有效抑制體內(nèi)原位膠質(zhì)母細(xì)胞瘤生長。（a）治療方案；（b）SOP MN手術(shù)植入用于原位治療腫瘤的數(shù)碼照片，SOP MN被植入腫瘤部位并在5分鐘后取出；（c）用PBS和SOP MN L治療的小鼠的生物發(fā)光成像；（d-f）通過體內(nèi)生物發(fā)光成像分析不同治療組的U87-MG腫瘤模型中熒光素酶活性的總通量量化，（d）的統(tǒng)計(jì)分析通過雙側(cè)非配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行；（g）生存曲線和（h）實(shí)驗(yàn)期間荷瘤小鼠的體重變化，（h）的統(tǒng)計(jì)分析采用雙側(cè)非配對(duì)t檢驗(yàn)；（i）腫瘤裂解物中BRD4、HIF-α和活化caspase-3表達(dá)的Western blot分析；（j）治療后12天的腫瘤切片的H&E染色；（k）BRD4、（l）HIF-α和（m）cleaved-caspase-3在腫瘤組織中的表達(dá)的IHC分析；（n）IHC腫瘤切片中BRD4、HIF-α和cleaved-caspase-3表達(dá)的半定量分析，（n）的統(tǒng)計(jì)分析采用雙側(cè)非配對(duì)t檢驗(yàn)