山东师大董育斌/山东省肿瘤防治研究院胡漫ACS Nano：多功能COF纳米酶增强食管癌放射治疗

放射治疗不可避免地伴随着一定程度的放射抵抗，导致局部复发甚至治疗失败。为了克服这一限制，山东师范大学董育斌教授课题组和山东省肿瘤防治研究院胡漫教授课题组报道了同时含有碘和二茂铁的共价有机框架（COF）纳米酶TADI-COF-Fc。这种基于COF的多功能纳米酶可有效增强食管癌的放疗效果。

在室温下合成的TADI-COF-Fc通过两种主要途径发挥放射治疗增敏作用（如图1所示）。首先，作为高Z元素，碘能够通过增加X射线的局部沉积，增强水的放射解，从而在原位产生多种活性氧（ROS）。其次，二茂铁赋予COF多重模拟酶活性，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、脂氧合酶（LOX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、NADH脱氢酶（NDH）。这些酶活性能够提高ROS的水平并降低细胞内抗氧化剂的浓度。最终，放射治疗与多种纳米酶活性的协同作用导致不可逆的脂质过氧化和铁死亡，从而有效抑制肿瘤的发展。

相关工作以“A Multifunctional Covalent Organic Framework Nanozyme for Promoting Ferroptotic Radiotherapy against Esophageal Cancer”为题发表于ACS Nano。

图1 材料合成和作用机制示意图。

在乙腈/乙酸甲酯（2:1，v/v）混合溶剂中和醋酸催化下，1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和2,5-二碘对苯二甲醛于室温反应2天得到TADI-COF的黄色微晶粉末。然后通过TADI-COF表面的游离氨基与二茂铁甲醛在乙醇中的亚胺缩合反应制备了二茂铁修饰的TADI-COF-Fc，并用一系列谱学方法证实了其结构和组成（图2）。根据CT成像，TADI-COF-Fc能以浓度依赖的方式吸收X射线，表明其作为放疗增敏剂的重要应用潜力。SEM和TEM照片表明TADI-COF和TADI-COF-Fc为表面粗糙的纳米球，直径约110 nm。

图2 TADI-COF和TADI-COF-Fc的表征。

TADI-COF能够在6 MV X射线照射下以浓度和X射线剂量依赖的方式促进水的放射解，产生·O2−、·OH、1O2等多种ROS。其中生成的·O2−能在TADI-COF-Fc催化下转化为H2O2，证明了TADI-COF-Fc的SOD模拟酶活性（图3）。此外，TADI-COF-Fc还具有POD模拟酶活性，可以催化中等毒性的H2O2转化为高毒性的·OH（图4）。POD催化过程的动力学方式符合米氏方式，其最适pH约为4.5（图4）。

图3 TADI-COF促进水的放射解，产生的·O2−通过TADI-COF-Fc的SOD酶活性转化为H2O2。

图4 TADI-COF-Fc的POD酶活性

多不饱和脂肪酸（如油酸）是铁死亡的重要底物。TADI-COF-Fc具有脂氧合酶（LOX）活性，能够加速油酸的氧化过程，生成脂质氢过氧化物和脂质过氧化物自由基，维持脂质过氧化循环持续进行。此外，TADI-COF-Fc还具有GPX和NDH活性。这两种酶活性可以催化细胞内GSH和NADH的氧化，从而降低抗氧化剂的浓度，损伤细胞氧化应激防御机制。这一过程有助于促进铁死亡的发生，并增强放疗对肿瘤细胞的杀伤作用（图5）。

图5 TADI-COF-Fc的LOX、GPX、NDH酶活性。

图6 TADI-COF-Fc的细胞摄取和体外抗肿瘤效果。

具有内在放射抵抗性质的食管癌细胞系KYSE150被选为研究对象。TADI-COF通过胞饮作用进入KYSE150细胞后，主要分布在内质网和胞浆中，定位特异性较低。将KYSE150细胞与TADI-COF-Fc孵育并暴露于X射线后，细胞发生肿胀、细胞质空泡化和细胞核增大等形态变化。与对照组相比，TADI-COF-Fc增强的放疗明显抑制了KYSE150的细胞活力和长期增殖能力（图6）。机制研究显示，TADI-COF-Fc主要通过增加DNA双链断裂损伤和诱导细胞铁死亡促进体外放疗（图7）。在异种移植物模型中进行的体内研究进一步证明了X射线沉积和纳米酶活性在放疗增敏中的协同作用（图8）。

图7 TADI-COF-Fc通过增加DNA损伤和诱导铁死亡促进肿瘤放疗。

图8 体内抗肿瘤放疗。

封面来源于图虫创意