Complementing Cancer Photodynamic Therapy with Ferroptosis through Iron Oxide Loaded Porphyrin-Grafted Lipid Nanoparticles

光动力疗法 化学 纳米材料 体内分布 体外 纳米颗粒 两亲性 纳米技术 活性氧 生物物理学 卟啉 材料科学 体内 光化学 生物化学 有机化学 生物技术 生物 聚合物 共聚物
作者
Xiaolong Liang,Min Chen,Pravin Bhattarai,Sadaf Hameed,Yi-Da Tang,Zhifei Dai
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (12): 20164-20180 被引量:90
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c08108
摘要

Nanomaterials that combine multimodality imaging and therapeutic functions within a single nanoplatform have drawn extensive attention for molecular medicines and biological applications. Herein, we report a theranostic nanoplatform based on a relatively smaller (<20 nm) iron oxide loaded porphyrin-grafted lipid nanoparticles (Fe3O4@PGL NPs). The amphiphilic PGL easily self-assembled on the hydrophobic exterior surface of ultrasmall Fe3O4 NPs, resulting in a final ultrasmall Fe3O4@PGL NPs with diameter of ∼10 nm. The excellent self-assembling nature of the as-synthesized PGL NPs facilitated a higher loading of porphyrins, showed a negligible dark toxicity, and demonstrated an excellent photodynamic effect against HT-29 cancer cells in vitro. The in vivo experimental results further confirmed that Fe3O4@PGL NPs were ideally qualified for both the fluorescence and magnetic resonance (MR) imaging guided nanoplatforms to track the biodistribution and therapeutic responses of NPs as well as to simultaneously trigger the generation of highly cytotoxic reactive oxygen species (ROS) necessary for excellent photodynamic therapy (PDT). After recording convincing therapeutic responses, we further evaluated the ability of Fe3O4@PGL NPs/Fe3O4@Lipid NPs for ferroptosis therapy (FT) via tumor microenvironment (TME) modulation for improved anticancer activity. We hypothesized that tumor-associated macrophages (TAMs) could significantly improve the efficacy of FT by accelerating the Fenton reaction in vitro. In our results, the Fe ions released in vitro directly contributed to the Fenton reaction, whereas the presence of RAW 264.7 macrophages further accelerated the ROS generation as observed by the fluorescence imaging. The significant increase in the ROS during the coincubation of NPs, endocytosed by HT-29 cells and RAW264.7 cells, further induced increased cellular toxicity of cancer cells.
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