Met behulp van spectroscopietechnologie ontdekken onderzoekers dat cascade-nanozymen tumorcellen kunnen behandelen

Het evenwicht tussen reducerende soorten en oxiderende soorten in de tumormicro-omgeving (TME) speelt een cruciale rol in de meeste biologische processen, met name het apoptotische celdoodproces. Wanneer de balans van oxiderende en reducerende moleculen wordt verbroken door de toename van de concentratie van reactieve zuurstofspecies (ROS), zullen de kankercellen afsterven, waardoor het doel van tumorbehandeling wordt bereikt.

Momenteel worden enkele nieuwe methoden voor chemodynamische therapie en fotodynamische therapie (PDT) op basis van nanozyme-katalyse gebruikt op het gebied van tumortherapie, met als doel het effect van in-situ katalytische productie van ROS in tumoren te bereiken. De meeste onderzoeken naar het mechanisme van dergelijke behandelingen richten zich echter nog steeds alleen op de resultaten van de katalytische cascadereactie van het nanozym en kunnen niet het hele behandelingsproces volgen.

Surface-enhanced Raman-spectroscopie (SERS) is een snelle en niet-destructieve detectietechnologie op het niveau van detectie van enkelvoudige moleculen, die een groot potentieel heeft bij het bewaken van gerelateerde biochemische reacties in cellen. De toepassing van SERS-technologie om het fotodynamische therapieproces van tumoren te volgen, bevordert ons begrip van het specifieke mechanisme van het katalytische proces van nanozymen en kan specifieke informatie over de redoxtoestand in de micro-omgeving van de tumor blootleggen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingen, rapporteerde een team van wetenschappers, onder leiding van prof. Wei Song, prof. Zhuo Liu en prof. Bing Zhao van de Jilin University, China, dat cascade-nanozymen van Au@CD’s kunnen worden gebruikt voor de fotodynamische therapie van tumorcellen. De SERS-techniek is gebruikt om de dynamische verandering van ROS in TME gedurende het hele PDT-proces te identificeren. Spectroscopie is het beste hulpmiddel om de intracellulaire biochemische reacties met een superieure gevoeligheid te volgen. Dit werk presenteert een inzichtelijke studie over het PDT-mechanisme op basis van oxidatieve stressbeschadiging bij TME, en biedt een krachtig middel voor de realtime monitoring van tumorfototherapie.

De onderzoekers ontwierpen een Au@CDs-cascade-nanozym, waarin de CD’s worden gebruikt als een sjabloon en afdekmiddel om typische Au@CDs-nanodeeltjes (NP’s) met kern-schilstructuur te construeren. Vergeleken met alleen de Au NP’s, vermijdt de CD’s-schaal de aggregatie van Au-kernen en biedt het een dichte en uniforme SERS-hotspot. Onder de excitatie van nabij-infrarood (NIR) licht bij 808 nm, vertonen Au@CD’s NIR-licht-geïnduceerde verbeterde peroxidase-achtige (POD) en NIR-licht-geïnduceerde glutathion-achtige oxidase (GSHOX) activiteit.

Onder de bestraling van NIR-licht kan een groot aantal hete dragers geëxciteerd door oppervlakteplasmonresonantie (SPR) effectief deelnemen aan de reactie, en het typische plasma fotothermische effect van Au NP’s kan de POD-activiteit verbeteren. Bovendien bemiddelen Au@CD’s glutathion (GSH) om deel te nemen aan de reactie, wat de vorming van ROS versnelt en het fotodynamische behandelingseffect van fotothermische verbetering presenteert. Deze cascade van katalytische nanozyme-processen zal de redoxhomeostase in tumoren snel doorbreken, een grote hoeveelheid ROS genereren en uiteindelijk leiden tot apoptose van kankercellen (Figuur 1).

SERS-technologie wordt gebruikt om de dynamische verandering van ROS in de micro-omgeving van de tumor tijdens fotodynamische therapie te volgen door de oxidatieproducten van 3,3,’5,5′-tetramethylbenzidine (TMB) substraatmoleculen te herkennen. In het bijzonder kan het verbeterde effect van fotothermische eigenschappen onder NIR-laserbestraling voor PDT-processen de ontleding van H katalyseren₂O₂ en de afname van het GSH-niveau in een zeer korte tijd, waardoor de schade aan reactieve zuurstofspecies die tot tumoreliminatie leidt, verder wordt versterkt.

Vervolgens nemen de signalen van oxTMB meer dan 33 min af bij het uitschakelen van de NIR-laser, wat erg traag is in vergelijking met het hierboven genoemde toenameproces onder laserbestraling (3 min) (Figuur 2). Dit resultaat suggereert verder dat tot overexpressie gebrachte reductiemiddelen (zoals GSH) in TME opnieuw tot overexpressie gebrachte ROS zullen consumeren, en totdat de ROS-activiteit wordt tegengegaan en geëlimineerd, de oxidatie-reductie-evenwichtstoestand opnieuw zal worden gerealiseerd.

Bovendien wordt door SERS-strategieën een volledig proces van oxidatieve stress in TMB onthuld. Deze inzichtelijke studie over de reactiemechanismen biedt de meest waardevolle gegevensondersteuning voor de realtime monitoring van tumorfototherapie en zelfherstel van normaal weefsel.