基于细胞周期阻滞和Caspase介导的细胞凋亡——胡桃醌-氧化锌纳米粒靶向抗结肠癌效应研究

《Scientific Reports》：Targeted anticancer effects of Juglone-ZnO nanoparticles via cell cycle arrest and caspase-mediated apoptosis in colon cancer cells

本研究针对结肠癌辅助化疗药物毒性大、易产生耐药性等问题，开发了葡萄糖功能化胡桃醌-氧化锌纳米粒(ZnO@C-Juglone NPs)。通过系统表征证实纳米粒成功合成，并发现其能选择性抑制结肠癌细胞SW480增殖(IC50=71μg/mL)，诱导G2/M期阻滞，通过激活CASP8/CASP9-caspase-3通路同时启动内外源性凋亡途径。该研究为开发靶向结肠癌的新型纳米药物提供了实验依据。

　　

在全球癌症负担日益加重的背景下，结直肠癌作为第三大常见癌症和第二大癌症相关死因，其治疗面临严峻挑战。虽然早期诊断和手术切除是主要治疗策略，但晚期患者仍需依赖辅助化疗。然而传统化疗存在严重毒性反应和耐药性问题，这促使科研人员不断探索新型治疗策略。

近年来，从植物等生物来源开发抗癌制剂显示出良好前景。胡桃醌(Juglone)作为一种天然萘醌类化合物，在核桃树的根、叶、树皮和木材中天然存在，已被证实对多种癌症具有抑制作用。但其水溶性差、生物利用度低的特点限制了临床应用。与此同时，纳米技术为肿瘤靶向给药提供了新思路，其中氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)因其良好的生物相容性、稳定性以及固有的抗癌特性，成为药物递送的有力载体。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，Amin Safa、Mina Shafiei等研究人员创新性地将胡桃醌通过葡萄糖功能化与氧化锌纳米颗粒结合，构建了ZnO@C-Juglone纳米复合物，并系统评估了其对结肠癌细胞的抗癌活性及作用机制。

研究人员采用多学科技术方法开展本研究：通过FT-IR、XRD、TEM、SEM-EDS等技术表征纳米颗粒理化性质；使用MTT法检测细胞活力；流式细胞术分析细胞周期和凋亡；Hoechst染色观察核形态变化；实时荧光定量PCR检测基因表达；比色法测定caspase-3活性。研究所用结肠癌细胞系SW480来源于人结直肠腺癌，保留结直肠肿瘤关键分子特征。

理化性质表征结果

研究团队通过FT-IR和XRD分析证实了ZnO@C-Juglone NPs的成功合成。FT-IR光谱显示，纳米颗粒在475.15 cm^-1处出现Zn-O特征峰，同时在707.27和823.67 cm^-1处出现C-H特征峰，表明胡桃醌成功连接。XRD谱图显示纳米颗粒同时具有胡桃醌和氧化锌的特征峰。

TEM和SEM显示纳米颗粒呈近似球形，直径范围为10-90纳米，排列成小簇状。EDS图谱显示纳米颗粒含有C、O和Zn原子，重量百分比分别为70.6%、20.3%和9.1%。胡桃醌在ZnO@C上的负载效率达到90%。

DLS分析显示纳米颗粒在水溶液中的流体动力学尺寸为275.3纳米，zeta电位为-50.3毫伏，高负表面电荷为颗粒提供了足够的排斥力，减少了团聚现象。TGA分析显示纳米颗粒具有稳健的热稳定性。

细胞活力结果

ZnO@C-Juglone NPs对SW480结肠癌细胞和HDF正常细胞均表现出剂量依赖性毒性，但对癌细胞的毒性明显更强。纳米颗粒在25μg/mL浓度时即可显著降低癌细胞活力，对癌细胞的IC₅₀为71μg/mL，而对正常细胞的IC₅₀为200μg/mL，选择性指数约为2.82，表明纳米颗粒对结肠癌细胞具有更强的细胞毒性。

细胞周期结果

流式细胞术分析显示，ZnO@C-Juglone NPs处理导致结肠癌细胞周期在G2/M期显著阻滞。处理组G2/M期细胞比例从对照组的13.56%增加到54.57%，同时亚G1期细胞周期阻滞增加1.15%，表明纳米颗粒通过干扰细胞周期进程抑制癌细胞增殖。

细胞凋亡诱导结果

流式细胞术分析表明，ZnO@C-Juglone NPs处理显著增加了结肠癌细胞的坏死和凋亡水平。早期凋亡从对照组的0.36%增加到42.08%，晚期凋亡从0.13%增加到4.34%，细胞坏死从0.90%增加到7.42%。结果表明纳米颗粒主要通过诱导早期凋亡来触发癌细胞死亡。

Hoechst染色结果与流式细胞术分析一致，显示处理组细胞出现染色质凝集和碎片化等典型的凋亡相关核形态变化，进一步证实了纳米颗粒诱导细胞凋亡的能力。

基因表达和caspase-3活性结果

实时荧光定量PCR分析显示，ZnO@C-Juglone NPs处理使结肠癌细胞中CASP8和CASP9基因表达分别上调5.01倍和2.75倍。同时，caspase-3酶活性显著提高了6.18倍，表明纳米颗粒同时激活了外在和内在凋亡途径。

本研究系统阐明了ZnO@C-Juglone NPs通过多重机制发挥抗结肠癌活性的作用模式。纳米颗粒通过诱导G2/M期细胞周期阻滞，同时激活caspase-8介导的外在凋亡途径和caspase-9介导的内在凋亡途径，最终通过caspase-3的执行阶段触发程序性细胞死亡。特别值得注意的是，纳米颗粒对结肠癌细胞表现出选择性毒性，这可能与癌细胞固有的较高氧化应激水平和细胞膜通透性有关。

该研究的创新性在于采用葡萄糖介导的偶联策略将胡桃醌负载到氧化锌纳米颗粒上，不仅提高了胡桃醌的水溶性和生物利用度，还通过氧化锌纳米颗粒的固有抗癌特性产生协同效应。葡萄糖功能化不仅改善了纳米颗粒的稳定性和分散性，还可能通过癌细胞过度表达的葡萄糖转运蛋白(GLUTs)增强靶向性。

尽管本研究未直接检测细胞内活性氧(ROS)水平，但根据已有文献，胡桃醌和氧化锌纳米颗粒均可通过诱导氧化应激触发癌细胞凋亡，这可能是其协同抗癌作用的重要机制。未来研究可通过体内实验进一步验证ZnO@C-Juglone NPs的安全性和临床应用潜力，为开发结肠癌靶向治疗新策略提供重要理论依据和实践基础。