酶活性可调的氧化铈纳米粒子在化疗引起的急性肾损伤中的应用研究

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化疗引起的急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)是一种高发病率和死亡率的急性综合征,严重影响着肿瘤患者的治疗和预后水平。化疗药物经肾脏代谢时会产生大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),损伤肾脏细胞,从而诱导AKI的发生。一些研究发现小分子抗氧化剂可用于保护肾脏组织免受化疗药物的伤害。然而,由于缺少特异性,小分子抗氧化剂在体内发挥清除ROS作用的同时,会影响化疗药物对肿瘤的治疗效果。近年来,一类自身具有抗氧化酶活性的纳米材料在组织损伤等疾病中的应用研究得到了广泛关注。与小分子药物相比,纳米材料具有尺寸、形状、组成可调节及长循环等优势,尤其是智能型纳米材料能够在外界环境或生物内源的刺激下特异性发生功能,从而实现在体内特定部位的功能激活。因此,如何设计和制备具有酶活性可调的智能型纳米材料用于选择性保护肾脏组织,同时不影响化疗效果,对肿瘤化疗及防治化疗引起的AKI具有重要意义。相较于正常组织,肿瘤具有特殊的酸性微环境。本论文利用肿瘤与肾脏组织之间p H的差异性,设计并制备了一种具有酶活性可调的氧化铈纳米粒子(CNPs)。CNPs粒径大小约为3 nm,具有良好的结晶性,表面同时存在Ce3+和Ce4+。利用溶解氧测量仪和拉曼光谱仪等方式表明CNPs具有p H依赖的酶活性可调特性:CNPs在中性环境下可催化其表面吸附的H2O2分解为H2O和O2,并再次暴露CNPs的催化活性位点,表现出较强的过氧化氢酶活性;而在酸性环境中,过量的H+抑制了该反应过程,使其丧失过氧化氢酶活性。在细胞水平上,我们通过SRB检测方法发现,CNPs在中性环境中对人肾小管上皮细胞(HK-2)及人卵巢透明癌细胞(ES-2)具有剂量依赖性的保护作用,而CNPs在酸性环境中无法抑制顺铂(DDP)诱导的细胞死亡。进一步地,我们在体外初步探究了CNPs防治化疗引起AKI的分子机制。通过Western blot考察细胞内凋亡蛋白表达水平,结果发现CNPs可显著抑制DDP引起的cleaved PARP和cleaved caspase-3的上调,有效抑制DDP诱导的细胞凋亡;采用流式细胞分析术等发现CNPs能够显著下调细胞内DDP处理后产生的ROS,同时上调细胞内SOD酶活性及降低MDA含量,有效恢复DDP引起的细胞内氧化还原紊乱。在动物水平上,我们在荷ES-2肿瘤裸鼠模型中验证CNPs的防治效果。研究结果表明,相较于DDP组,同时给予DDP+N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl cysteine,NAC)组或DDP+CNPs组对肾脏都具有显著的保护作用;而相比于肿瘤生长并未得到明显抑制的DDP+NAC组,DDP+CNPs组能够显著抑制肿瘤的生长,而当提升肿瘤微环境的p H时,CNPs削弱了DDP的肿瘤抑制效果,这些结果表明CNPs在肾脏部位发挥保护作用的同时,不会影响化疗药在微酸性肿瘤部位的化疗效果。进一步地,我们在DDP诱导的AKI小鼠模型中验证CNPs防治化疗药物引起的AKI的分子机制。通过Western blot、TUNEL染色、qRT-PCR技术等分析方法表明在DDP诱导的AKI小鼠上,CNPs能够有效抑制DDP在肾皮质组织中诱导的细胞凋亡,上调Nrf2的表达,激活Nrf2/Keap1通路,从而调控ROS相关基因,高效清除肾皮质细胞内过量的ROS,从而降低细胞内的ROS水平,恢复细胞内的氧化还原平衡。综上,本论文制备了一种具有过氧化氢酶活性可调特性的CNPs,在正常组织的中性条件下CNPs可以催化其表面吸附的H2O2分解为H2O和O2,H2O2的分解产物离开CNPs表面并再次暴露CNPs的催化活性位点,同时,Ce3+被氧化为Ce4+以进行下一轮的催化反应,从而发挥过氧化氢酶活性达到抗氧化的效果;而在肿瘤微酸性条件下过量的H+抑制了Ce3+向Ce4+的转换,CNPs表面吸附的H2O2无法被分解,使得CNPs的催化活性位点无法重新暴露,导致CNPs的过氧化氢酶活性丧失,因而不会影响化疗药物对肿瘤的杀伤效果。本论文将为新一代化疗药物引起AKI的防治药物提供新的思路和基础。
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