氢分子气体疗法作为一种新兴且前景广阔的疗法策略，与其他气体疗法途径相比，特别是在生物安全性方面具有巨大优势，但由于氢气溶解度低、在体内扩散性高但无目标定向性，目前面临着在长期、高浓度、针对深部病变部位递送氢气方面的巨大挑战。对此，我们提出构建一种负载氨硼烷的介孔二氧化硅纳米药物（AB MSN），以实现氢气在瘤内的高载量递送和原位酸控释放。所构建的AB MSN纳米药物具有超高的氢气负载能力（130.6 mg/g，比传统的脂质体包裹氢气纳米药物H2 liposome高出1370倍以上），并表现出高度酸响应性的缓释行为，在体外和体内均展现出高效的抗癌活性和高生物安全性。所提出的这种基于纳米药物的策略，为精准高效氢疗法开辟了新途径。


1引言


氢气被广泛证明具有抗炎和抗癌作用，在调节体内平衡方面具有重要的生理功能，包括选择性治疗病变细胞和保护正常细胞。一个众所周知的机制是氢气具有正确的抗氧化能力，可选择性地减少高度氧化的有毒自由基，如羟自由基。氢气独特的生物安全性使氢气疗法成为一种新兴的、前景广阔的治疗策略。氢气的传统给药途径主要包括吸入氢气、口服富氢水和注射富氢盐水。这些途径接触首过组织的几率较高，治疗肺部和肠道疾病的疗效较好，但治疗其他深部疾病的效果有限。这主要是因为这些传统给药途径很难将氢气输送/集中到深层疾病部位，原因是氢气在体内的扩散性很高，但却漫无目的。解决方案之一是使用原药负载纳米药物在疾病部位进行高负载输送和原位控制释放氢气。


最近，He等人利用一种微气泡来共同负载碳氟化合物和氢气，以实现氢气的输送和超声控制释放。然而，微气泡的氢气负载能力相当低(1.46mM)，且氢气负载微气泡的稳定性较差(仅稳定10分钟左右)。Chia和Sung等人利用脂质体共同负载金纳米粒子、抗坏血酸(AA)和叶绿素，进行光催化产生氢气。然而，该系统的产氢量受限于脂质体的抗坏血酸负载量(1.8mM)和抗坏血酸的活性氢含量(1.1wt.%)，且该系统的光催化脱氢依赖于外源紫外/可见光的照射，可能导致明显的光毒性和有限的治疗深度。因此，实现H2气体的高负载输送和内源性刺激控制释放对提高疗效至关重要，但仍是一项挑战。


在这项工作中，我们使用氨硼烷(AB)作为生产H2的原药，因为它不仅具有相当高的储氢能力(10wt.%)，还能以酸反应的方式分解成H2气体，这也是我们在这项工作中首次发现的。此外，我们还利用介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)的高比表面积和良好的生物相容性，将其作为一种先进的药物载体，有效地负载AB(653mg/g)。所构建的纳米药物(AB MSN)具有超高的H2负载能力(130.6mg/g)、对瘤内酸微环境的高响应性(可持续释放H2超过2天)、高癌症治疗效果以及高生物安全性。


2结果与讨论

图1 MSN的SEM(A)和TEM(B)图像以及DLS图样(C)。A和B中的比例尺分别为1μm和100nm。

图2 AB、MSN和AB MSN的傅立叶变换红外光谱表征(A)，以及用于计算药物载量的药物载量百分比与透射强度比I2330nm/I1088nm的标准曲线(B)。


通过SEM、TEM和DLS技术对所获得的纳米载体MSN的形态、尺寸和介孔结构进行了表征(图1)。SEM、TEM和DLS数据均表明合成的MSN具有相当均匀的尺寸和良好的单分散性。从SEM和TEM图像(图1A和B)来看，MSN的粒径约为50nm，而水合直径MSN则稍大(65nm，图1C)，这是由于表面负电荷和硅醇(图2A中960cm-1处的IR峰)与水之间的氢键作用。我们和牟教授的研究小组发现，50nm(SEM/TEM尺寸)是细胞吸收效率最高的MSN的最佳尺寸。此外，MSN已被证明具有良好的生物相容性，因此是一种极佳的药物传输纳米载体。从图1B的TEM图像中可以发现，MSN具有高度介孔结构，孔径约为2nm，有利于药物的高负载和持续释放。基于上述优点，研究人员利用50nm单分散MSN作为药物载体，吸附/包封氢气原药AB，构建了纳米药物(AB MSN)。从BET数据(图S1)中还可以发现，MSN的介孔在吸附AB后被堵塞，这表明AB已被很好地包裹在MSN的介孔通道中。红外法测得MSN的AB负载能力高达每1克MSN 653毫克AB(图2B)，与ICP结果(B:Si的质量比=0.494)一致，对应于超高的H2负载能力(每克MSN 130.6毫克H2)。


方案1 AB MSN纳米药物的构建方法及酸响应分解和H2释放机理示意图。


如方案1所示，如此高的载药量几乎达到了MSN的最大理论载药量，这可能归功于MSN的高比表面积和对AB的强氢键吸附。值得注意的是，AB MSN纳米药物的H2负载能力是传统H2溶剂脂质体纳米药物的1370多倍。如此高的有效载荷对提高氢气疗效和减少载体MSN的用量非常有利。此外，红外光谱数据也显示AB与MSN的特征峰重叠(图2A)，说明AB很好地包裹在MSN中。在图2A的插图中，AB MSN在1088cm-1处的肩峰(用绿线标出)反映了MSN的少量存在。最重要的是，AB的所有特征峰在被MSN加载后都得到了很好的保持，这表明AB在MSN中是稳定的，没有发生分解。