Small:基于葡萄糖氧化酶(GOx)的纳米复合材料在肿瘤治疗中的研究进展

葡萄糖氧化酶(GOx)可与细胞内的葡萄糖和氧(O2)反应生成过氧化氢(H2O2)和葡萄糖酸,可切断癌细胞的营养来源,从而抑制其增殖。因此,GOx被定义为理想的内源性氧化还原酶用于肿瘤饥饿治疗,并可与其他治疗模式结合实现多模式协同肿瘤治疗。最近,中科院长春应化所林君研究员与浙江师范大学李春霞和李正全教授总结了基于GOx的纳米复合材料的构建和在肿瘤协同治疗中的应用进展,相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201903895)上。

葡萄糖作为一种重要的营养物质,在肿瘤生长中起着至关重要的作用。肿瘤细胞的增殖主要依赖于有氧糖酵解,使肿瘤细胞对葡萄糖浓度的变化更敏感。GOx的催化糖酵解过程可以调节肿瘤微环境(TME),一方面GOX消耗O2进一步增加了乏氧程度,生成的葡萄糖酸提高了TME的酸度;另一方面,所产生的H2O2不仅显著增强肿瘤氧化应激,而且还可以转化为羟基自由基杀死癌细胞。利用上述特点,GOx可与其他治疗模式相结合实现多模态协同治疗,有助于规避单模态治疗的相关问题。因此GOx在肿瘤治疗的多功能纳米平台的设计和构建中具有举足轻重的作用,主要包括: 首先,GOx可以与缺氧激活的生物还原前药结合实现饥饿治疗和化疗。GOx消耗O2引起缺氧程度加剧,一些乏氧激活的生物还原前药如Quinones、TPZ和AQ4N可与GOx结合实现协同的化疗/饥饿治疗。其次,GOx可与Fenton或类Fenton试剂联合应用,实现饥饿治疗和化学动力学治疗(CDT)。糖酵解过程产生的H2O2可以有效地克服肿瘤区域内源性H2O2不足的问题,有利于CDT。第三,通过合理的设计,GOx可与其他酶结合形成高效的生物催化酶级联反应。例如,GOx催化过程产生的H2O2可进一步分解过氧化氢酶生成O2,这种酶级联反应有助于减缓肿瘤乏氧,并进一步改善依赖O2的治疗方式如PDT、放疗和声动力治疗等。最后, GOx可与其他治疗模式相结合,如光疗、免疫治疗甚至气体治疗。由于肿瘤的复杂性、多样性和异质性,单模态疗法难以达到预期的治疗效果。因此,通过将GOx介导的饥饿治疗与其他癌症治疗相结合有望为癌症干预提供新的解决方案和思路。

特别值得注意的是,天然GOx暴露于生物条件后极易降解,制备和纯化成本较高,存在免疫原性、体内半衰期短和全身毒性等问题,这些固有的缺点无疑将限制其在生物医学领域的应用。因此,一些纳米载体被用来保护GOx免受周围环境的影响,从而控制或保持活性。而且,为了有效、准确地将GOx运送到肿瘤区域发挥其功能,迫切需要探索和开发合适的纳米载体。因此,本综述从设计理念、构建策略和在肿瘤治疗中的应用等角度,重点介绍了各种纳米载体,包括中空/介孔二氧化硅、金属-有机骨架、有机聚合物和磁性纳米粒子等与GOx复合,从而构建多功能纳米复合材料。这些设计为新型肿瘤治疗诊疗一体化纳米平台的构建开辟了新的途径,为实现多模式协同肿瘤治疗的应用提供了依据。