《Adv. Funct. Mater.》：基于量子传感融合pH响应药物递送的三阴性乳腺癌诊疗新体系

引言

本研究，将荧光纳米金刚石（FND）的量子传感与 pH 敏感药物递送结合，构建了用于三阴性乳腺癌（TNBC）诊疗的一体化平台，明确了二氮嗪（DZX）调控细胞氧化还原稳态的作用机制。

正文

一、研究背景

三阴性乳腺癌预后差、缺乏靶向治疗手段，现有抗癌药存在副作用大、靶向性不足问题
纳米金刚石具备生物惰性、表面易修饰、含氮空位（NV）色心可荧光成像与量子传感的优势
肿瘤微环境呈弱酸性（pH≈6.5），适合设计pH响应型药物递送系统
二氮嗪（DZX）对 TNBC 有潜在疗效，但其调控线粒体活性氧（ROS）的具体机制尚不清晰

二、核心材料制备

构建 FND-HPG-DMA-DZX 复合纳米载体，分步合成：

纳米金刚石表面接枝超支化聚甘油（HPG），提升胶体稳定性
键合pH敏感连接子 DMA ，形成酸响应断裂位点
共价偶联抗癌药二氮嗪（DZX），载药率约5.9%。经 FT-IR、TGA、DLS 等表征，材料结构、粒径、电位均符合设计预期

三、关键性能验证

pH 敏感释药

生理 pH（7.4）：8小时仅释放约26% DZX，泄漏率低
弱酸性 pH（6.5，模拟肿瘤/溶酶体环境）：8小时释放约78% DZX，响应精准

细胞摄取与定位

载体通过内吞进入 MDA-MB-231 TNBC 细胞，主要富集于内溶酶体
随时间推移部分逃逸溶酶体，为作用于线粒体奠定基础

细胞安全性

低浓度（10 μg/mL，等效2.75 μM DZX）下，对细胞代谢、活力无显著影响，适合活体传感与治疗

四、量子传感与作用机制

1.氧化还原动态监测

线粒体：DZX 开放 mitoKATP 通道，使线粒体 ROS 持续升高

内溶酶体/胞质：经金刚石弛豫法（T1弛豫时间延长）检测，自由基负荷显著降低

2.核心机制

线粒体 ROS 升高激活 Nrf2 等抗氧化通路，提升胞质与溶酶体的自由基清除能力，触发细胞区域特异性氧化还原稳态重塑，而非全面氧化损伤

3.传感可靠性

排除 pH、表面化学、温度等干扰，证实 T1 信号变化仅由局部自由基浓度改变导致

五、研究结论与意义

成功开发集 pH 靶向释药、荧光示踪、量子传感于一体的纳米金刚石诊疗平台

在活细胞内原位揭示 DZX 调控 TNBC 细胞氧化还原稳态的时空规律
为三阴性乳腺癌精准靶向治疗、氧化还原生物学研究提供新型工具与新思路
该平台可拓展至其他药物与肿瘤类型，具备良好临床转化潜力

图文导读

方案1. pH 响应纳米金刚石平台结构、药物释放与细胞内氧化还原传感机制

该图展示基于 pH 响应型荧光纳米金刚石平台（FND-HPG-DMA-DZX），结合金刚石量子弛豫技术，研究二氮嗪（DZX）调控 MDA-MB-231 三阴性乳腺癌细胞氧化还原稳态的全过程。

a) 对荧光纳米金刚石（FNDs）进行逐步表面功能化：依次接枝超支化聚甘油（HPG）、DMA 酸，最终偶联二氮嗪（DZX），得到 FND-HPG-DMA-DZX。b) 细胞内氧化还原传感机制：纳米复合物进入细胞后富集于内体 / 溶酶体；弱酸性环境使 pH 敏感键断裂并释放 DZX；DZX 激活线粒体 mitoKATP 通道，促进线粒体 ROS 生成；利用金刚石量子弛豫技术原位监测内体 / 溶酶体与细胞质自由基水平变化。c) 酸性条件下，DZX 从 DMA 连接臂上 pH 响应性释放，生成2 - 甲基马来酸（MMA）与游离 DZX。d) 显示体系中 HPG、DMA、DZX 的化学结构。

图1. ND-HPG-DMA-DZX 合成路线、FT-IR、TGA、DLS 与 ζ 电位表征

a)pH敏感性 ND-HPG-DMA-DZX 合成路线示意图。首先通过缩水甘油的开环聚合将超支化聚甘油（HPG）接枝到纳米金刚石（ND）核心上；随后利用草酰氯通过酯化反应将3-(4-methyl-2,5-dioxo-2,5-dihydrofuran-3-yl)propanoic酸（DMA）连接至 ND-HPG；最后在无水 DMSO 中通过开环反应将3-((2-氨基乙基)氨基)-7-氯-4H-苯并[1,2,4]噻二-1,1-二氮杂氧化物（DZX）与 ND-HPG-DMA 偶联。b) ND、NDHPG、ND-HPG-DMA 及 ND-HPG -DMA-DZX 的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱。HPG 功能化后，C─O 键的伸缩振动（v，位于1080 cm-1）显著增强；酯化反应后可清晰观察到环状酸酐的特征信号，包括1830和1760cm-1处的v(C=O)振动峰，以及900cm-1处的v(C─O─C)振动峰。在 DZX 偶联后，环状-酸酐信号消失，同时观察到芳香环信号（1585、1486和1458 cm-1）以及 N─H 弯曲振动 (δ)信号增强。c) TGA 分析显示 ND-HPG-DMA-DZX 的组成：10.4% HPG、7.3%DMA、5.9%DZX 和76.4%ND。d)通过 DLS 测量的ND、ND-HPG 及 ND-HPG-DMA 在 H2 2O 中的尺寸分布。e)通过 DLS 获得的ND、ND-HPG、ND-HPG -DMA 及 ND-HPG-DMA-DZX 在 H2O 和 PBS 缓冲液中的尺寸及 ζ 电位测量结果。

图2. pH 敏感键断裂机制、荧光成像验证及 DZX 体外释放曲线

a) ND-HPG-DMA-Alexa 488 或 ND-HPG -DMA-DZX 的制备过程及 pH 敏感机制示意图 AlexaFluor488 或 DZX 通过其氨基与 DMA 的环状酸酐之间的开环反应与 ND-HPG -DMA 偶联。由此形成的酰胺-氧丁烯酸结构中的酰胺键（红色高亮显示）具有 pH 敏感性，在 pH 6.5时发生断裂。该断裂会释放含胺的负载基团（AlexaFluor 488 或DZX），并在 ND 复合物上生成2-甲基马来酸（MMA）作为新的末端基团。b) pH 敏感性 ND-HPG -DMA-Alexa 488 在 pH 7.4（左）和 pH 6.5（右）的 PBS 中孵育4小时后的荧光成像。上图显示荧光强度（FI）图像，下图显示相应的查找表LUT）图像。成像使用 GFP/FITC 带通激发/发射滤光片组（激发波长475/28nm，发射波长525/48nm）完成。比例尺= 5μm。c) ND-HPG-DMA-DZX 在 pH 6.5和 pH 7.4的 PBS 中 DZX 随时间变化的体外释放曲线。数据以均值 ±标准差表示（n=2）。

图3. 复合物在细胞内的溶酶体共定位、颗粒计数与共定位定量分析

a) MDA-MB-231 细胞经 FND-HPG-DMA-DZX 孵育后用 LysoviewBlue 染色的荧光共聚焦图像示例。放大区域比例尺= 5μm。b，c) 分别显示4、8、20、24及48小时时溶酶体（用Lysoview405Blue染色）与 FND(b) 或 FND-HPG-DMA-DZX(c) 的放大叠加图像，证实其在内体-溶酶体区室内的共定位。比例尺= 5μm。d) 采用 FIJI 软件中的3D对象计数器对每个细胞内的颗粒数量进行计数。每组共分析60个细胞。数据以3次独立实验的平均值±标准差表示，采用单因素方差分析进行组间比较。*p<0.05、**p<0.01、***p<0.0001 表示差异具有统计学意义，ns表示无显著差异。e) 不同孵育时间下 FND 或 FND-HPG-DMA-DZX 与溶酶体的定量共定位分析。每组共分析60个细胞。箱线图显示数据点范围（最小值至最大值）、第一及第三四分位数，箱内线条标示中位数。

图4. DZX 细胞毒性、ATP 水平、线粒体 ROS 定量、T1 自由基检测及作用机制模型

a) MTT 检测显示游离二氮嗪（DZX）处理24小时后对 MDA-MB-231 细胞代谢活性的影响。b)使用 10μg·mL-1ND-HPG -DMA-DZX（相当于2.75μMDZX）处理 MDA-MB-231 细胞4、8、20、24及48小时后的 ATP 检测结果。c)不同时间点使用 10μg·mL-1FND -HPG -DMA-DZX 处理后 MDA-MB-231 细胞的线粒体 ROS 水平，绿色：MitoSOX 绿色荧光。d)基于 MitoSOX 绿色荧光强度对每个细胞线粒体 ROS 进行定量分析：Mi- toSOX 荧光增强表明线粒体 ROS 生成增加。每组共分析60个细胞。须线显示数据点从最小值到最大值的范围；箱体内的线条表示中位数，箱体上下边缘分别代表最高和最低四分位数，柱状图分别表示最小值和最大值。e)通过 FND - HPG -DMA- DZX 的金刚石弛豫测量法，评估了内体/溶酶体及细胞质中的自由基水平，检测时间点分别为4 、8 、20 、24和48小时。T1 值的增加表明自由基负荷降低。数据采用组间单因素方差分析进行处理。*p<0.05、**p<0.01、***p<0.0001 表示存在显著差异；ns 表示无显著差异。(f)细胞内氧化还原稳态调节的假设机制：在内体/溶酶体的酸性条件下，FND-HPG -DMA-DZX 释放的 DZX 通过激活线粒体 KATP 通道(①) 诱导线粒体活性氧（ROS）生成。升高的线粒体 ROS 可部分释放至细胞质中，触发氧化还原稳态通路 (②) , 从而增强抗氧化能力并降低细胞质及溶酶体中的自由基负荷 (③)。

结语

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202514294