谷胱甘肽和二氧化锰的氧化还原反应在生物领域上的应用

王海梅 田启威 杨仕平

摘 要： 谷胱甘肽（GSH）是一种普遍存在的生物硫醇，具有清除毒素、维持氧化还原稳态和调控基因的作用，GSH的异常水平可能是多种疾病的触发因素.过渡金属氧化物二氧化锰（MnO₂）具有很强的氧化能力，能被GSH还原为Mn²⁺，可用于磁共振成像（MRI）以及肿瘤治疗.GSH和MnO₂之间的氧化还原反应已成为科研工作者不断研究和探索的方向.综述了GSH和MnO₂的氧化还原反应的最新研究进展.

关键词： 谷胱甘肽（GSH）; 二氧化锰（MnO₂）; 氧化还原反应; 肿瘤诊断; 肿瘤治疗

中图分类号： O 614.33  文献标志码： A  文章编号： 1000-5137（2020）02-0203-16

Application of redox reaction of glutathione and manganese dioxide in biological field

WANG Haimei， TIAN Qiwei^*， YANG Shiping^*

（College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract： Glutathione（GSH）is a ubiquitous biothiol that has the effect of scavenging toxins，maintaining redox homeostasis and gene regulation.Therefore，abnormal levels of GSH may be the trigger for many diseases.Transition metal oxide manganese dioxide （MnO₂） has strong oxidizing ability and can be reduced to Mn²⁺by GSH，which can be used for magnetic resonance imaging （MRI） and tumor treatment.The redox reaction between GSH and MnO₂has become a research and exploration direction for researchers.Based on this，this paper reviews the latest research progress of redox reactions of GSH and MnO₂.

Key words： glutathione（GSH）; manganese dioxide（MnO₂）; redox reaction; tumor diagnosis; tumor treatment

0 引 言

L-γ-谷氨酰基-1-半胱氨酰基-甘氨酸（谷胱甘肽，GSH）是生物系統中最广泛的非蛋白质硫醇物种^[1-3].它是一种重要的内源性抗氧化剂，在防御毒素、维持生物体内氧化还原稳态中起着至关重要的作用^[4].通常情况下GSH以还原形式存在，被氧化后可转化为谷胱甘肽二硫物（GSSG），即GSH的氧化形式.GSH或GSSG水平的异常与许多临床疾病相关，如阿尔茨海默症、帕金森、肝损伤、糖尿病、癫痫、动脉粥样硬化、关节炎、衰老和多种类型的癌症^[3，5-6].因此，GSH的测定和定量检测具有良好的生物学和临床意义，这已成为重要的研究课题，并受到研究者们的高度关注.

二氧化锰（MnO₂）是一种重要的过渡金属氧化物，具有很强的氧化能力，可以通过某些分子还原成Mn²⁺，包括GSH、二硫苏糖醇（DTT）和抗坏血酸（AA）^[7].由于锰元素是人体必需微量元素之一^[8]，因此基于Mn²⁺的纳米粒子（NPs）和MnO₂纳米材料，在检测细胞内GSH浓度和药物传递中得到广泛应用.

本文作者主要综述了GSH和MnO₂的氧化还原反应在生物领域上的应用，包括GSH的检测、肿瘤的诊断和治疗.

1 MnO₂与GSH的反应机理

细胞中大多数GSH（1～10 mmol·L^-1）通常存在于细胞质中，细胞质也是GSH合成的主要位置.细胞核中的GSH维持着DNA修复和表达所需的关键巯基蛋白的稳定^[9].GSH的氧化和还原形式影响着机体的平衡状态^[10].因此，许多研究人员通过测定GSH/GSSG的比例来估计系统的氧化还原稳态，进而评估机体的健康状况.

MnO₂中的Mn原子以八面体几何形状配位到6个氧原子中^[11]，并且与水环境隔离，抑制了与质子的交换，因此是低的横向（T₁）和纵向（T₂）加权磁共振造影剂.同时MnO₂具有很强的氧化能力，能被GSH还原成Mn²⁺.Mn²⁺是顺磁性的，通过缩短水自旋-晶格弛豫时间常数，充当优异的磁共振成像（MRI）造影剂.MnO₂造影剂的存在改变了氢质子的弛豫时间，提高MRI的敏感性和分辨率.在机体中，GSH和MnO₂之间的氧化还原反应如下^[12-14]：

MnO₂+2GSH+2H⁺?Mn²⁺+GSSG+2H₂O.

2 MnO₂的结构与特点

MnO₂是一种重要的过渡金属氧化物，MnO₂具有多种不同的晶型，结构复杂.MnO₂是由[MnO₆]八面体构成的，该结构单元按照不同的连接方式可以形成不同的晶体结构^[15].在基础结构[MnO₆]八面体中，6个氧原子分别处于八面体的顶点上，Mn原子居于八面体的中心.由于MnO₂的[MnO₆]八面体的棱的连接方式不同，可形成单链、双链和多链结构，链之间再由八面体的共顶角相连接，因此可以形成平行于C轴方向上的、由[MnO₆]八面体晶格包围而成的一种无限长的一维孔洞材料.这种一维孔洞结构被称为隧道结构.隧道的不同形状代表了不同的MnO₂晶体，包括α-，β-和γ-晶型，3种MnO₂晶体结构如图1所示.

为了更直观地表示这种一维隧道结构，根据隧道形状的不同给材料命名为T[m×n]，其中T表示材料为隧道结构，m和n则表示隧道横截面的长和宽，即[MnO₆]八面体的棱长的倍数.下面简单介绍一些主要MnO₂晶型.

2.1 α-MnO₂

MnO₂结构具有一维T[2×2]隧道，这种隧道通过共用MnO₂八面体[MnO₆]的角和边形成八面体双链.这种隧道结构的横截面积较大，能够容纳较大的阳离子，如Ba²⁺，K⁺，Pb²⁺，Na⁺和NH⁴⁺等阳离子，容纳的阳离子可以增强其隧道的稳定性.根据掺入隧道中的阳离子的不同，可以形成不同成分的α相的MnO₂，如硬锰矿、软锰矿、铅硬锰矿等不同矿种^[16].此外，这种中央隧道中的阳离子很容易被其他阳离子所取代.因此，α-MnO₂材料具有丰富的化学性质.

2.2 β-MnO₂

β-MnO₂结构具有一维T[1×1]隧道，该隧道通过共用[MnO₆]八面体棱形成八面体单链，所有八面体都是等同的，平均每个Mn-O原子间距为0.186 nm，具有四方晶系的金红石结构.

2.3 γ-MnO₂

在MnO₂的隧道结构中，当一维隧道结构趋向无穷大时，即形成二维层状结构.通过八面体[MnO₆]以共用棱的方式连接形成层片，层与层之间由一些阳离子支撑.根据层间距的不同，会形成多种不同结构，如层间距为0.7 nm的层状MnO₂被称为水钠锰矿，层间距为1.0 nm的层状MnO₂被称为布塞尔矿.这种层状结构的纳米材料一般有金属离子填充，易形成离子通道.

3 MnO₂的制备方法

MnO₂具有丰富的晶型，不同的方法可合成出不同形貌的纳米材料，如纳米片、纳米管、纳米针、纳米带等不同形状.MnO₂的主要制备方法有水热法、溶胶凝胶法、熔盐法、共沉淀法和电沉积法.

3.1 水热法

MA等^[17]采用典型的水热法制备MnO₂纳米带，通过将Mn₂O₃粉末分散于NaOH水溶液中，然后将溶液密封并在170 ℃下加热12 h至1周.通过这种制备方法可以自组装成束，得到较窄尺寸的分散体.低温控制水热法可以避免高温条件下的劣势，WANG等^[18]通过低温水热法将S₂O₈^2-氧化Mn²⁺的反应来制备MnO₂纳米结构，此方法没有采用催化剂或者模板，操作简单、产物易得.为了制得粒径可控的MnO₂纳米材料，ZHENG等^[19]通过简单的水热法，在聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）的存在下，用NaClO₃氧化MnSO₄，成功制備了直径在200～500 nm范围内，粒径可控的MnO₂纳米材料.此外，通过调整材料比例也可制备长度达到几微米的单晶MnO₂纳米管.该实验制备方法也为其他一维单晶纳米管材料提供了一种新的通用途径.

3.2 凝胶溶胶法

使用水热和氧化还原反应方法可制备的产物数量是有限的.制备纳米级和金属取代的MnO₂八面体分子筛（OMS）材料需要更快、更便宜的合成路线.LIU等^[20]报告了一种新型的溶胶-凝胶辅助固态方法，以合成纳米棒、纳米针和纳米线等不同形状的MnO₂纳米材料.在合成中，利用硝酸盐阴离子的氧化性将Mn（II）氧化为更高的氧化态（III或IV），同时使用交联剂，如聚乙烯醇（PVA）、甘油或葡萄糖，来控制纳米材料的尺寸.该合成途径不仅缩短了制备时间，而且简化了制备过程.产物的量仅受反应容器大小的限制，这使得该方法非常适合规模化生产.

4.2 负载金属纳米簇

g-C₃N₄/MnO₂纳米复合材料传感器对GSH表现出良好的检测效果，然而，g-C₃N₄/MnO₂纳米复合材料的合成条件苛刻，例如高温（550）和强酸处理.因此，仍非常需要寻求简单、易操作、环保和低成本的测定GSH的荧光纳米材料.先前报道表明牛血清白蛋白（BSA）可以作为模板形成具有高度抗氧化性的荧光铜纳米簇（Cu NCs），所获得的Cu NCs在胶态分散体中具有光致发光和高度稳定的特性^[35].基于以上基础，WANG等^[36]通过使用BSA作为模板，一步化学还原方法合成了高荧光Cu NCs.MnO₂NSs有效地淬灭Cu NCs的荧光.然而，加入GSH后，MnO₂可以还原成Mn²⁺，从而抑制MnO₂NSs诱导荧光淬灭效应.开发的传感器对GSH进行灵敏度和选择性检测，在最佳条件下，线性范围为0～300 mmol·L^-1，检测限为100 nmol·L^-1.

过渡金属配合物具有广阔的应用前景，其具有生物靶标传感和细胞成像的优势，以及磷光寿命长、合成简单、可调光物理性质和较大的斯托克斯位移等特点.基于此，DONG等^[7]探究了MnO₂NSs对铱（Ir，III）配合物的淬灭能力，用于GSH的检测，如图4所示.设计的检测平台对GSH表现出高度的敏感性和特异性，并且成功地用于活斑马鱼的GSH分布成像检测.与以前报道的GSH检测方法相比，该平台易于操作，并为生物分析领域的其他生物分子靶标提供了新的检测策略.

4.3 负载二氧化硅（SiO₂）纳米物质

由于SiO₂中的氧原子可以通过分子间氢键或配位键与金属Mn结合^[37]，基于此，SUN等^[38]通过在量子点@二氧化硅（QD@SiO₂）上原位生长MnO₂NSs进行GSH检测和实时活细胞成像.由于FRET，MnO₂NSs的生长有效地淬灭了QD@SiO₂的荧光发射.GSH还原MnO₂分解成Mn²⁺，QD@SiO₂的发光在几分钟内大大恢复，纳米探针对GSH的测定显示出良好的灵敏度和选择性，并成功应用于GSH的细胞监测和实时成像.

为了扩大GSH和MnO₂氧化还原反应的应用，MENG等^[39]以双光子（TP）介孔二氧化硅（MS）为荧光纳米探针，通过静电作用在荧光纳米探针表面吸附MnO₂NSs，用于水溶液和生命系统中GSH荧光成像检测.同时该纳米探针成功应用于TP荧光成像，可监测活细胞和组织细胞中GSH的变化.后将其应用于活细胞和肝组织中GSH的TP激发荧光成像，实验结果令人满意.

4.4 负载聚合物纳米发光物质

多巴胺（PDA）是调节大脑各种生物学功能的重要中枢神经系统的儿茶酚胺神经递质.PDA的儿茶酚在氧化应激或碱性条件下易氧化成醌衍生物，并能自聚合成聚PDA纳米粒子（PDA NPs）.而MnO₂的存在，PDA也能迅速被氧化成其醌衍生物，并自动聚合成荧光PDA NPs.但GSH存在时，MnO₂被还原成Mn²⁺，这将抑制荧光PDA NPs的形成.因此，使用荧光PDA NPs作为荧光信号指示剂，根据荧光PDA的信号强度，可以容易地检测出GSH的浓度.该传感器对GSH分析显示出良好的感测性能，在0～350 μmol·L^-1的范围内具有很宽的线性响应，而检测限低至1.5 μmol·L^-1.该方法具有理想的选择性，对GSH的影响超过其他潜在的干扰物种.

聚合物点（PDs）作为CD系列中的新兴物质，具有更好的光稳定性、生物相容性、优异的光物理性质和较低的成本等特点^[40].PDs在紫外线激发下通常会发出强烈的蓝色荧光.然而，生物基质中常见的自发荧光和紫外线激发光对生物组织潜在的光损伤会严重干扰蓝色荧光，限制了其在生物系统中的进一步应用.

为了克服这一问题，HAN等^[41]通过使用对苯二酚和乙二胺作为前体进行自氧化和自聚合反应，可以合成具有强烈绿色荧光的PDs.将制备好的PDs用作荧光指示剂，将MnO₂NSs用作GSH识别单元和荧光淬灭剂，以构建用于分析GSH的聚合物点和二氧化锰（PDs-MnO₂）的纳米传感器.该纳米传感器已成功应用于人血清中GSH的检测.

4.5 负载有机荧光染料

有些有机荧光团能表现出异常的发射行为，它们在分子溶解状态下不发光或发较弱的荧光，但当它们处于聚集状态时会变成高荧光发射体.这种不寻常的荧光现象被称为聚集诱导发射（AIE）.ZHANG等^[11]首次报道了无标记的MnO₂NSs辅助AIE-二氧化硅纳米粒子（AIE-SiO₂NPs）探针，用于高灵敏的GSH荧光“开启”检测，如图5所示.合成的阴离子四苯乙烯衍生物3（TPE3），用作AIE活性探针，可以在未涂覆的氨基官能化的SiO₂NPs上聚集形成AIE-SiO₂NPs并发出强荧光.带负电的MnO₂NSs被用作氨基官能化的SiO₂NPs的正电荷保护剂和GSH的识别单元.GSH的存在可以选择性地将MnO₂NSs还原成Mn²⁺，从而释放出氨基官能化的SiO₂NPs，并暴露其正电荷.因此，TPE3可以在暴露的氨基官能化的SiO₂NPs上聚集以形成AIE-SiO₂NPs，并發出强荧光.所提出的测定法简单、快速、成本低，且高度灵敏，GSH的检测限为200 nmol·L^-1.

YAO等^[14]使用2-（N-吗啉代）乙磺酸（MES）还原KMnO₄制备MnO₂NSs.在MnO₂NSs的存在下，邻苯二胺（ODPA）可以被氧化为2，3-二氨基吩嗪（OPDAox），能输出荧光信号.然而，GSH可以将MnO₂NSs还原为Mn²⁺，并显著抑制OPDAox的形成，从而降低荧光信号，用于灵敏地检测GSH.重要的是，相对于其他不同的电解质和生物分子，该方法显示出对GSH的选择性反应，可进一步用于检测实际生物样品（例如细胞提取物）中的GSH.

4.6 负载UCNPs

与常规的有机荧光材料相比，UCNPs具有独特的化学和发光特性，主要表现在：1） 它们具有高光稳定性和热稳定性;2） 与紫外线（UV）激发源相比，近红外（NIR）激发源（通常为980 nm）具有更高的组织穿透深度，并且对生物样品的损害较小;3） NIR激发技术具有非褪色和非自发荧光测定，从而提高了信噪比.这些优势使UCNPs对生物标记和生物传感特别有吸引力.基于此，DENG等^[1]使用镧系元素掺杂的UCNPs的NIR辐射转换成可见光，为检测GSH提供了另一种方法，如图6所示.在这种方法中，将UCNPs表面上形成的MnO₂NSs用作上转换发光的有效淬灭剂.通过GSH和MnO₂高灵敏的氧化还原反应和UCNPs的非自发荧光测定，证明了对活细胞中GSH水平的监测.这一发现对药物靶向和基因传递提供了有效策略.

4.7 负载持久发光纳米粒子（PLNPs）

在检测细胞或组织的GSH时，会出现选择性低、分析时间长、低波长激发光对组织的穿透力弱以及在外部光照下来自细胞和组织的自发荧光的干扰等问题.为了克服这些问题，LI等^[42]引入了PLNPs作为发光单元，开发了一种使用MnO₂修饰的PLNPs的新型纳米探针.PLNPs具有独特的光学性质，当在PLNPs表面形成MnO₂NSs时，可以通过FRET有效淬灭PLNPs的持续发光.在少量GSH的存在下，MnO₂NSs可以还原为Mn²⁺，而MnO₂诱导的淬灭作用可以逆转，从而恢复了PLNPs的持久发光.持久的发光特性可以允许在没有外部激发的情况下进行检测和成像，并且避免源自原位激发的背景噪声.实验结果显示，该新型纳米探针在活细胞和体内都具有良好的GSH检测性能.

5 用于肿瘤的诊断和治疗

研究表明，在一些癌细胞中GSH的浓度至少比正常细胞高4倍.GSH作为一种优良的生物刺激因子，在构建药物递送纳米系统、选择性细胞内释放和特异性释放癌细胞方面受到了极大的关注.到目前为止，已经报道了使用一些材料作为载体的各种GSH响应控制释放系统，包括聚合物囊泡、胶束、无机纳米材料和纳米凝胶等^[43].但几乎所有报道的系统都采用二硫键作为GSH的敏感连接体，通过2个硫醇的氧化或硫代变换反应.然而，二硫键的合成过程耗时且复杂，从而限制了其在生物医学领域的应用，这促使研究者们寻找快速简便的策略来构建GSH触发机制.

近年来，由于MnO₂具有高表面积、良好的循环稳定性和强又宽的光吸收等特性，引起了人们广泛的关注.主要研究领域包括生物传感器、电池、超级电容器、催化剂和气体传感器^[44].此外，MnO₂还能被GSH还原为具有良好的T₁加权MRI效果的Mn²⁺，为肿瘤的检测提供一种高分辨率、高组织穿透性和精准的软组织的成像方式.在肿瘤治疗方面，MnO₂納米材料已用于肿瘤的光动力治疗（PDT）、光热治疗（PTT）、化学动力学治疗（CDT）和声动力治疗（SDT）.

5.1 肿瘤的诊断

分子成像是早期检测恶性肿瘤的有力工具.将2种或多种成像技术协同组合，能够解决肿瘤诊断中的敏感性、分辨率和组织穿透性等多种问题.例如，MRI具有较高的空间分辨率和组织穿透性，但敏感性较差.荧光信号具有较差的组织穿透性，但它具有亚细胞分辨率和单细胞敏感性的能力.ZHAO等^[45]首次开发了一种新型双活化MRI/荧光双模式成像平台，该策略使用荧光染料Cy5作为适体标记，在MnO₂NSs上用作纳米探针，进行肿瘤成像和靶向肿瘤细胞.肿瘤细胞中过表达的GSH诱导MnO₂降解产生Mn²⁺，并释放Cy5标记的适体.一方面，释放Cy5标记的适体可用于荧光成像;另一方面，产生的Mn²⁺用作MRI的造影剂以增加对比度信号，可用作肿瘤细胞双响应的荧光/MRI诊断平台.该检测平台为早期肿瘤的诊断提供了更可靠的检测方案.为了提高纳米粒子的分散性和生物相容性，FU等^[46]通过简单的方法合成了多功能透明质酸-MnO₂纳米粒子（HA-MnO₂NPs）.其中具有生物相容性和生物降解的HA既作为还原剂又作为分散剂.此外，还用作靶向配体特异性结合胶质瘤细胞中的CD44受体^[47].由于MnO₂对肿瘤内源性H₂O₂和GSH的高反应性，HA-MnO₂NPs产生的Mn²⁺可用于肿瘤的靶向MRI检测，原位产生的O₂可同时用于缓解胶质瘤缺氧性.实验表明，静脉注射后，HA-MnO₂NPs同样表现出很高的成像敏感性，可在长达3 d的时间内通过MRI检测出小鼠颅内神经胶质瘤.颅内神经胶质瘤中，血管内皮生长因子（VEGF）和缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）表达的下调证实了HA-MnO₂ NPs对肿瘤缺氧的持续减缓作用.这些结果表明，HA-MnO₂NPs可用于灵敏性和针对性地检测脑胶质瘤，同时减轻肿瘤缺氧.

5.2 肿瘤的治疗

5.2.1 PDT

传统的肿瘤治疗包括手术切除、化疗和放疗.但是，这些传统的治疗方式给病人带来了极大的痛苦，且费用高昂.开发新型的肿瘤治疗方式已成为研究者们的首要问题.与传统的肿瘤治疗相比，PDT是光疗法的一种形式，主要是通过光敏剂在光照下产生活性氧物质来杀死癌细胞，是一种以高特异性杀死肿瘤的微创治疗策略.FAN等^[48]发现细胞内GSH的浓度与单线态氧（¹O₂）的含量有关，而¹O₂是光敏剂在光照下产生的.基于这一事实，他们构建了多功能光敏剂二氢卟酚e6（Ce6）-MnO₂（Ce6@MnO₂）纳米系统.MnO₂NSs吸附光敏剂Ce6，保护其免受光照射后的自我破坏，并有效地将其输送到细胞中.该纳米系统还抑制Ce6产生细胞外¹O₂，降低副作用.纳米系统被内吞到肿瘤细胞后，MnO₂NSs被细胞内GSH还原.结果，纳米系统被分解，释放Ce6并降低GSH水平，如图7所示.此外，伴随着MnO₂NSs的溶解，荧光恢复，提供了用于监测递送功效的荧光信号，从而实现了对肿瘤的诊断和治疗.ZHU等^[49]为了降低纳米粒子的细胞毒性和提高纳米粒子的生物相容性，进一步用氨基封端的聚乙二醇（PEG-NH₂）来修饰Ce6@MnO₂纳米材料，制备出多功能Ce6@MnO₂-PEG NPs.利用MnO₂与肿瘤微环境中的高浓度的内源性H₂O₂结合，生成O₂来缓解肿瘤缺氧环境，从而提高了肿瘤的PDT效果，实现了在实体肿瘤微环境中增强肿瘤的特异性PDT和MRI.

5.2.2 PTT

PTT是基于NIR光热转换试剂在激光的照射下将光能转换成热能，诱导肿瘤细胞的细胞膜破裂或蛋白质变性来杀死肿瘤细胞.PTT被认为是一种非侵入式微创的肿瘤治疗方法.LIU等^[8]报道了一种大豆磷脂（SP）修饰的超薄2D MnO₂纳米片（MnO₂-SPs）作为一种新型MRI和光热试剂，如图8所示.

MnO₂-SPs对内源性肿瘤微环境（TME）表现出超敏感性，可响应于低pH值和高浓度的GSH.在TME中，MnO₂分解并释放Mn²⁺，用于肿瘤的T₁加权MRI.实验表明，MnO₂-SPs具有良好的光热升温效果，其光热转换效率为21.4%.此外，活体动物的红外热成像记录表明，在NIR激光照射下，纳米粒子+激光组（治疗组）的小鼠肿瘤表面温度在5 min内从37 ℃升高至57 ℃，而激光组的温度仅增加了1 ℃，这实现了PTT对肿瘤的治疗.MnO₂-SPs这种新型功能性光热剂具有高光热转换能力、肿瘤敏感性和诊断成像性能，为肿瘤的光热治疗提供了有效策略.

5.2.3 PDT和PTT的协同作用

目前，由于实体瘤缺氧、纳米药物在肿瘤积累量少以及光敏剂光穿透深度有限，严重限制了PDT效果.而在高温情况下，肿瘤中高表达的热休克蛋白限制了PTT疗效.因此，将多种治疗方式相结合可避免单一治疗模式的限制，达到更好的肿瘤治疗效果.基于此，LIU等^[50]開发了一种可以自给提供O₂、靶向和NIR活化光敏剂的多合一纳米治疗剂，该试剂由蜂窝状MnO₂、疏水性NIR染料（碘化物IR780）和牛血清蛋白（BSA）构成，即MnO₂/IR780/BSA纳米粒子（HMIB NPs），如图9所示.体外和体内的荧光成像实验表明，在静脉给药HMIB NPs后，由于肿瘤的通透性和滞留效应（EPR），显示出高的肿瘤积累.一旦HMIB NPs被运送到肿瘤中，蜂窝状MnO₂与TME中的H₂O₂和H⁺反应产生O₂.生成较小的MnO₂NPs和被BSA包裹的IR780将扩散到肿瘤内，连续生成O₂并降低细胞内GSH水平，从而缓解肿瘤缺氧.此外，小鼠肿瘤治疗实验表明，当激光功率密度从0.3 W·cm^-2增加到1 W·cm^-2时，在光热和光动力的协同作用下，可实现肿瘤的完全消融.开发的HMIB NPs有望实现荧光和光热双模成像引导的PDT/PTT的协同治疗，为肿瘤的高效治疗提供了有效策略.

5.2.4 CDT

CDT是一种新兴的治疗策略，该疗法是基于铁介导的芬顿反应将活性较低的H₂O₂转化为高毒性的羟基自由基（OH）.CDT在癌症治疗方面具有内源性触发、高TME选择性和调节肿瘤缺氧等特点.迄今为止，除了铁材料外，一些金属离子（例如Mn²⁺，Co²⁺和Cu²⁺）表现出类芬顿反应活性，可用于化学动力治疗.然而，关于构建类芬顿活性的金属基化学动力学试剂的研究却很少.此外，类芬顿金属释放的实时成像对于监测CDT过程是至关重要的.

基于此，LIN等^[51]开发了基于MnO₂自增强的CDT纳米剂，该试剂具有类芬顿活性和耗竭GSH特性，通过破坏细胞抗氧化防御系统（ADS）来增强癌症的CDT，如图10所示.实验使用硫醇基团与过量的高锰酸盐反应，在硫醇官能化的介孔二氧化硅纳米粒子（MS NPs）表面原位形成MnO₂，制备出MS@MnO₂NPs.在生理环境介质中，癌细胞将MS@MnO₂NPs内吞后，MnO₂层被GSH分解为具有优异类芬顿活性的Mn²⁺，然后将线粒体产生的内源性H₂O₂转化为剧毒的OH，并通过消耗细胞内抗氧化剂GSH来防止清除OH.由于GSH耗竭引起的ADS损伤使癌细胞对Mn²⁺引起的氧化应激更敏感，因此肿瘤CDT增强.同时，GSH反应性的MnO₂壳解离使其可以充当MS NPs的守门员，以控制药物释放.与MnO₂相比，Mn²⁺具有更高的纵向弛豫率（r₁），从而赋予了GSH激活的MRI对比作用，可用于监测MnO₂与GSH的反应以及随后的化学动力学治疗过程.

5.2.5 SDT

SDT作为一种临床上非侵入性的肿瘤治疗方法，并非使用光或光敏剂来杀死肿瘤，而是利用超声（US）在声敏剂的作用下产生活性氧（ROS）促使癌细胞凋亡或坏死.由于声波的组织穿透性较好，所以SDT适用于治疗大型肿瘤或内嵌器官的肿瘤.因此，SDT是一种很有潜力的无创肿瘤治疗方法.

GONG等^[52]设计并制备了一种基于超小型的多功能聚乙二醇修饰的缺氧双金属氧化物纳米粒子（MnWO_X-PEG NPs）（W表示钨），用于多模式成像引导的SDT. MnWO_X-PEG NPs显示出独特的GSH消耗能力，这有利于增强SDT对癌细胞的杀伤力.由于Mn²⁺和钨的存在，MnWO_X-PEG NPs在MR和计算机断层扫描（CT）成像下显示出相当大的对比度，可用于追踪动物体内纳米粒子在肿瘤上的聚集.使用MnWO_X-PEG NPs作声敏剂，可以在小鼠肿瘤模型中实现高效的SDT疗效，从而抑制肿瘤的生长.值得注意的是，具有超小尺寸的MnWO_X-PEG NPs可以在小鼠体内快速代谢而几乎没有残留，从而使其成为安全的SDT试剂.

5.2.6 与化疗药物相结合

YANG等^[43]设计了一种新型GSH响应性纳米药物递送平台.设计思路是根据溶胶-凝胶法合成MS NPs，并将化疗药物阿霉素（DOX）负载在其孔道中.随后，MnO₂纳米结构被用作“守门人”，来堵塞MS NPs的孔道.在没有GSH的情况下，MnO₂封端的纳米粒子保存完整，抑制了DOX从孔中扩散.然而，在GSH存在时，MnO₂可通过氧化还原反应降解为Mn²⁺，释放负载的DOX.溶液实验表明，载有DOX的介孔二氧化硅@二氧化錳（MS@MnO₂）纳米粒子在0.01 mol·L^-1GSH中显示出明显的药物释放，而在没有GSH的情况下未观察到释放.细胞毒性实验结果表明，MS@MnO₂NPs对人肝癌细胞（HepG2）和人正常细胞（L02）的活力没有明显影响，而负载DOX的MS@MnO₂对HepG2细胞的毒性比L02细胞更大.这些结果表明，合成了一种具有靶向能力的药物递送系统，这种对GSH敏感的药物递送系统为细胞内控制药物递送开辟了广泛的可能性.基于银纳米粒子（Ag NPs）与DOX负载的MnO₂NSs的组合，ZHOU等^[53]设计了一种新型多功能纳米平台，以诱导增强的癌细胞凋亡.在Ag NPs表面制备的MnO₂NSs用作DOX的荧光淬灭剂，纳米粒子被内吞到癌细胞中后，GSH将MnO₂还原为Mn²⁺，DOX被释放，荧光逐渐开启.Ag NPs诱导的细胞凋亡和随后的DOX递送的协同作用导致癌细胞凋亡效果增强.

HAO等^[54]开发了基于可降解MnO₂NSs的氧化还原和pH双响应纳米平台，用于癌症的治疗应用.首先合成尺寸为20～60 nm的MnO₂NSs，并用（3-氨基丙基）三甲氧基硅烷（APTMS）改性，得到胺基官能化的MnO₂;然后通过聚乙二醇（PEG）进行改性;最后将肿瘤靶向基团叶酸（FA）与PEG化的MnO₂NSs结合.通过物理吸附将化学治疗剂DOX加载到改性后的纳米片上，得到MnO₂-PEG-FA/DOX NPs.具有良好生物相容性的MnO₂-PEG-FA/DOX NPs不仅在体内能有效地将DOX递送至肿瘤细胞来提高了抗肿瘤效率，而且还可以应对弱酸性环境和高浓度的还原酶.此外，被GSH还原的Mn²⁺，可用于MRI.实验表明，在2 mmol·L^-1 GSH和pH值为5.0条件下，r₁值为2.26 mmol^-1·s^-1.这一具有双响应可生物降解的NPs有效地结合了MRI和化学疗法，为靶向肿瘤的治疗提供了一个新颖而有希望的平台.

6 結 语

GSH与MnO₂之间的氧化还原反应已被广泛用于生物领域，包括细胞内GSH的检测、肿瘤的诊断和治疗.不同的实验进一步证明了该反应在实际应用中具有良好的效果.GSH与MnO₂之间的氧化还原反应为监测机体GSH的水平变化和肿瘤的诊疗提供了简便有效的方案.但是，在实施方案过程中如何避免其他信号的干扰，提高在生物领域应用的效率仍是首要研究问题.随着科学家们的不断努力和科技的进步，相信该反应会在生物领域上有更大的突破.

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（責任编辑：郁 慧，冯珍珍）

收稿日期： 2019-11-13

基金项目： 国家自然科学基金（91959105）

作者简介： 王海梅（1996—），女，硕士研究生，主要从事无机材料方面的研究.E-mail：1000441351@smail.shnu.edu.cn

通信作者： 田启威（1983—），男，副教授，主要从事智能诊疗材料方面的研究.E-mail：qiweitian@shnu.edu.cn;杨仕平（1969—），男，教授，主要从事磁共振成像造影剂的开发及其应用方面的研究.E-mail：shipingy@shnu.edu.cn

引用格式： 王海梅，田启威，杨仕平.谷胱甘肽和二氧化锰的氧化还原反应在生物领域上的应用 [J].上海师范大学学报（自然科学版），2020，49（2）：203-218.

Citation format： WANG H M，TIAN Q W，YANG S P.Application of redox reaction of glutathione and manganese dioxide in biological field [J].Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2020，49（2）：203-218.