同济大学彭波/上海大学陈雨、冯炜AFM：聚多巴胺纳米酶！用于改善前列腺炎损伤性行为和增强抗前列腺癌

炎症在最具挑战性的疾病，甚至癌症的发病机制和进展中起着关键作用。基于纳米医学的策略可以被视为解决这一复杂临床难题的独特解决方案，通过提出对炎症和癌症的有效治疗性能的精心组合。在此，同济大学彭波&上海大学陈雨/冯炜设计并合成了一种名为TPDA NPs的2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基掺杂的聚多巴胺纳米颗粒，通过构建供体-受体对，显著提高了对活性氧/氮物种(RO/NSs)的清除性能和增强的光热效率，用于前列腺疾病治疗，包括抗炎和抗肿瘤。得益于模仿多种天然酶，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶，TPDA NPs可以通过下调CD36的表达来抑制NF-κB信号通路，用于治疗氧化应激诱导的前列腺炎。特别是，TPDA NPs可以改善前列腺炎相关的性行为损伤。凭借增强的光热转换效率，TPDA NPs可以消融前列腺癌，同时减少炎症反应。因此，这项工作提供了一个“一箭三雕”的范式，利用合理设计的TPDA NPs高效管理前列腺疾病。该研究以题为“Composition-Reinforced Polydopamine Nanoenzyme for Improved Impairment of Prostatitis-Damaged Sexual Behavior and Enhanced Anti-Prostate Cancer”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

该研究提出了一种通过绿色一步策略引入TEMPO的强化聚多巴胺纳米颗粒，称为TPDA NPs，以在前列腺疾病中执行抗炎和抗肿瘤功能。TEMPO的引入有助于构建供体-受体对，以提高RO/NSs清除能力和增强传统聚多巴胺纳米颗粒的光热效率。它们作为多种酶的模拟物，有效地消除过量的RO/NSs，并进一步作为强大的光热剂，在肿瘤进展中消融癌细胞。通过TPDA的多种酶模拟能力，包括SOD、过氧化物酶(POD)、CAT和GPx，显著清除了RO/NSs的过度表达，进一步有助于保护线粒体功能和抑制炎症因子，通过下调CD36表达抑制NF-κB信号通路来调节前列腺炎。TPDA NPs的炎症调节活性进一步促进了实验性自身免疫性前列腺炎(EAP)大鼠的生育能力和性活动的恢复。此外，TPDA NPs介导的抗炎和光热疗法(PTT)抑制了体内肿瘤生长，并在长期炎症后协助抑制前列腺的潜在致癌作用。因此，合理开发的TPDA NPs不仅具有强大的RO/NSs清除能力、改善的光热效率和优良的生物相容性，而且还作为抗炎和抗肿瘤剂，对前列腺疾病的治疗具有显著的治疗效果(图1)。

图1. TPDA NPs治疗前列腺炎、性损伤和前列腺癌等前列腺疾病的示意图

【TPDA NPs的表征】

研究者们通过氧化自聚合和TEMPO介导的自由基聚合两种方法制备了传统聚多巴胺(PDA)纳米颗粒和2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TPDA)纳米颗粒。TPDA纳米颗粒表现出比PDA纳米颗粒更强的RO/NSs清除能力。电子自旋共振(ESR)光谱进一步证实了TPDA纳米颗粒能够有效清除包括O₂•⁻、•OH和ONOO⁻在内的RO/NSs。此外，通过1,1-二苯基-2-吡咯烷基肼自由基(DPPH•)测定，TPDA纳米颗粒还显示出对反应性氮物种(RNS)的清除能力。这些结果表明，TPDA纳米颗粒具有显著的RO/NSs清除能力，这可能源于其形成的醌类结构，能够通过氢原子转移机制与自由基反应。

图2. TPDA NPs的表征和RO/NS消除性能

【TPDA NPs的细胞保护】

研究者们探讨了TPDA纳米颗粒对细胞的保护作用。他们首先通过CCK-8和红细胞溶血实验评估了TPDA纳米颗粒的细胞相容性和血液相容性，结果表明TPDA纳米颗粒在高浓度下仍具有良好的细胞相容性，且对红细胞没有显著的溶血作用。接着，研究者们利用脂多糖(LPS)诱导的氧化应激模型，研究了TPDA纳米颗粒对RWPE-1人前列腺上皮细胞的保护效果。实验结果显示，TPDA纳米颗粒能够显著保护细胞免受LPS诱导的氧化损伤，提高细胞存活率，并抑制ROS的过度生成。此外，TPDA纳米颗粒还能够有效抑制LPS诱导的线粒体超氧化物生成，保护线粒体膜电位(MMP)免受损害。在炎症因子表达方面，TPDA纳米颗粒能够显著降低促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α的表达，并提高抗炎因子IL-10的表达。RNA测序分析揭示了TPDA纳米颗粒处理后，与炎症和氧化应激相关的基因表达发生了显著变化，表明TPDA纳米颗粒通过调节NF-κB信号通路，特别是通过下调CD36的表达，来抑制炎症反应。这些结果表明，TPDA纳米颗粒通过有效清除过量的RO/NSs，减少炎症和氧化应激，显示出显著的细胞保护能力，并且在急性和慢性前列腺炎治疗中具有潜在的应用价值。

图3. TPDA NPs的体外抗氧化和细胞保护

图4.TPDA NPs 治疗的LPS诱导炎症的抗氧化机制

【TPDA NPs体内对抗前列腺炎】

研究者们通过组织学染色和免疫组化染色方法，观察了TPDA纳米颗粒处理后对小鼠前列腺组织炎症反应的影响。结果显示，TPDA纳米颗粒能够有效减轻由脂多糖(LPS)诱导的急性前列腺炎模型中的炎症反应，表现为腺体内免疫细胞浸润和腺体上皮增生的减少。此外，TPDA纳米颗粒治疗组的前列腺组织中CD36的表达水平下降至正常水平，这表明TPDA纳米颗粒通过下调CD36的表达来调节NF-κB信号通路，从而抑制炎症反应。在慢性前列腺炎模型中，TPDA纳米颗粒同样显示出抗炎效果，减少了腺体内免疫细胞的浸润和上皮细胞的增殖。这些结果表明TPDA纳米颗粒在体内具有显著的抗炎作用，能够改善前列腺炎的症状。

图5. 基于TPDA NPs的急性前列腺炎体内治疗

【TPDA NPs对雄性大鼠性行为的影响】

研究者们使用了实验性自身免疫性前列腺炎(EAP)大鼠模型探讨了TPDA纳米颗粒对雄性大鼠性行为的影响。结果显示，EAP大鼠在接受TPDA纳米颗粒治疗后，性行为得到了显著改善，勃起率从约30%提高到约95%，追逐时间比和交配时间比也得到了有效提升，表明大鼠的性兴奋性增加。此外，TPDA纳米颗粒治疗还改善了EAP大鼠的生育能力，提高了生育指数。这些结果表明，TPDA纳米颗粒不仅能够有效缓解前列腺炎引起的性功能障碍，还能促进生育能力的恢复，这为TPDA纳米颗粒在治疗前列腺炎相关性功能障碍方面的应用提供了潜在的临床价值。

图6. TPDA NPs在体内抑制EAP的炎症损伤

【PTT改善与TPDA NPs炎症调控的抗肿瘤性能】

为了探究TPDA纳米颗粒的光热性能及其介导的光热疗法(PTT)在体外对PC-3人前列腺癌细胞的影响。研究者们首先通过808纳米激光照射不同浓度的TPDA纳米颗粒溶液，记录了其温度变化曲线，以评估其光热转换效率。结果显示，随着TPDA纳米颗粒浓度的增加，溶液的温度升高更为显著，且在激光照射后能够快速达到55°C。此外，TPDA纳米颗粒的光热转换效率被计算为29.2%，这高于传统PDA纳米颗粒和金纳米棒。接着，研究者们在体外使用PC-3细胞进行了PTT实验，验证了TPDA纳米颗粒在激光照射下的显著抗癌效果。这些结果表明，TPDA纳米颗粒在光热疗法中表现出了优异的光热转换性能和抗癌活性，这为TPDA纳米颗粒在前列腺癌治疗中的应用提供了有力的实验支持。

图7. 体外光热性能和TPDA NPs介导的PTT

图8描述了TPDA纳米颗粒在体内对抗前列腺癌的抗肿瘤效果。结果显示TPDA纳米颗粒和GO NSs处理的小鼠在808纳米激光照射下肿瘤温度迅速升高，10分钟内达到55°C，而对照组的温度升高不明显。治疗后，TPDA纳米颗粒+激光组和GO NSs+激光组显著抑制了肿瘤生长，抑制率分别为92.1%和91.8%。此外，通过组织学染色、Ki67标记和TUNEL染色进一步证实了TPDA纳米颗粒介导的PTT显著抑制了肿瘤细胞的增殖并诱导了肿瘤细胞凋亡。这些结果表明，TPDA纳米颗粒在体内具有显著的抗肿瘤效果，并且在PTT过程中能够有效地抑制炎症反应。

图8. TPDA NPs在体内的抗肿瘤作用

研究者们通过RNA测序分析了TPDA纳米颗粒处理后的肿瘤组织中基因表达的变化。结果显示，与对照组相比，TPDA纳米颗粒处理组中有821个差异表达基因(DEGs)，这些基因在抗氧化活性和免疫系统功能方面发生了显著变化。此外，研究者们还通过西方印迹分析(Western blot)验证了TPDA纳米颗粒通过下调CD36的表达和调节NF-κB信号通路来抑制炎症反应。这些结果表明，TPDA纳米颗粒在PTT过程中不仅表现出显著的抗肿瘤能力，而且能够有效地减轻由PTT引起的炎症损伤。

图9. TPDA NPs在体内PTT过程中的炎症介导机制

【小结】

该研究成功开发了一种名为TPDA NPs的生物兼容纳米颗粒，这些纳米颗粒通过有效清除各种活性氧/氮物种(RO/NSs)和在光热疗法(PTT)期间增强细胞凋亡，展现出了抗氧化和抗肿瘤的特性。系统性的研究揭示了TPDA NPs在体外对氧化应激具有出色的细胞保护能力，其机制是通过调节NF-κB信号通路来靶向CD36。在体内实验中，TPDA NPs作为抗氧化剂，显著减轻了前列腺炎症，进一步保护了由实验性自身免疫性前列腺炎(EAP)引起的性功能损伤，这基于缓解氧化应激。同时，TPDA NPs增强的光热转换效率被用于前列腺癌的抗肿瘤应用。此外，在随后的808纳米激光照射下，TPDA NPs治疗显著导致体外肿瘤细胞死亡和体内肿瘤抑制。重要的是，TPDA NPs的抗炎能力显著减轻了由PTT引起的氧化损伤，这归因于CD36和NF-κB信号通路的分子功能。总的来说，研究结果表明合成的均匀TPDA NPs具有强大的RO/NSs清除能力、改善的光热效率和优秀的生物相容性，并且可以作为抗炎和抗肿瘤剂，对前列腺疾病的治疗具有显著的治疗效果。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202313528