本研究的通讯作者为江苏大学化学化工学院的刘玉云 陈教授与药学院的高 婧教授，合作作者包括来自江苏大学、东南大学、加纳海岸角大学以及中国科学院化学研究所的研究人员。该研究成果发表于2016年，刊登在学术期刊Colloids and Surfaces B: Biointerfaces（第147卷，第387-396页）。
本研究属于生物医学工程、纳米医学和癌症治疗学交叉领域。其学术背景主要基于对癌症治疗中关键挑战的深入认识：实体瘤内部普遍存在的缺氧微环境会诱导肿瘤细胞产生适应性改变，例如过度表达缺氧诱导因子-1α (Hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α) 和乳酸脱氢酶A (Lactate dehydrogenase A, LDH-A)。这两种分子是癌症细胞“瓦博格效应”（即使在有氧条件下也偏好进行糖酵解）的核心调控者和执行者，与肿瘤的增殖、侵袭、转移及耐药性密切相关。因此，靶向HIF-1α和LDH-A被认为是克服缺氧驱动耐药性的潜在新策略。同时，精准成像对于癌症的早期诊断、手术引导和治疗监测至关重要，其中磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)和荧光成像(Fluorescence Imaging, FI)各具优势。基于此，本研究旨在开发一种新型多功能纳米制剂，该制剂需同时具备以下功能：1）靶向癌细胞线粒体；2）抑制关键的LDH-A活性，干扰癌细胞能量代谢；3）诱导癌细胞凋亡；4）兼具荧光和MRI双模态成像能力。最终，研究团队合成并评估了一种名为PEG-Mn-BDA的荧光锰(II)纳米组装体。
详细的工作流程可概括为七个主要步骤。第一步是PEG-Mn-BDA的合成与表征。研究团队首先合成了配体8-[di(2-picolyl)amine-3-benzyl]-4,4-difluoro-1,3,5,7-tetramethyl-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene (简称m-BDA)和聚乙二醇衍生物PEG-NHCH2COOH。然后，通过将MnCl2·4H2O与PEG-NHCH2COOH在乙醇中反应，再与m-BDA配位，成功合成了目标化合物[PEG-NHCH2COOMnCl(m-BDA)]，即PEG-Mn-BDA。最后，采用水包油乳液法将其组装成纳米颗粒。表征手段包括透射电子显微镜(TEM)观察形貌、动态光散射(DLS)测定粒径分布、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)确认化学结构、原子吸收光谱测定锰含量，并在PBS缓冲液中评估了其稳定性。结果表明，合成的PEG-Mn-BDA纳米颗粒呈棒状，尺寸约200纳米，在37℃下可稳定存放一周，锰含量为14 μg/mg。
第二步是体外细胞毒性及选择性评估。研究团队选用了人肝癌细胞(SMMC-7721、HepG-2)、人结肠癌细胞(HCT-116)以及非恶性的肝上皮细胞(WRL-68)。采用标准的MTT法，将不同浓度的PEG-Mn-BDA和其前体m-BDA分别与这些细胞共孵育48小时，检测细胞存活率并计算半数抑制浓度(IC50)。实验结果表明，PEG-Mn-BDA对三种癌细胞均具有剂量依赖性的增殖抑制作用，且对SMMC-7721细胞最为敏感。更重要的是，与正常的WRL-68细胞相比，PEG-Mn-BDA对SMMC-7721和HCT-116癌细胞表现出显著的选择性毒性，其选择性优于单独的m-BDA配体。这初步证明了其作为抗癌候选物的潜力，并暗示其可能通过癌细胞内高表达的转运蛋白（如转铁蛋白受体）被特异性摄取。
第三步是双模态成像能力验证。在细胞水平上，将SMMC-7721细胞与PEG-Mn-BDA孵育后，使用激光共聚焦显微镜观察。结果显示，细胞内部（主要在细胞质和线粒体周缘）出现了明显的荧光信号，证实了PEG-Mn-BDA可被细胞有效摄取并用于荧光成像，尽管其荧光强度因锰离子的配位而比m-BDA有所淬灭。同时，使用3.0 T临床磁共振成像仪对处理过的细胞团进行扫描。与未处理的对照组（图像暗淡）相比，经PEG-Mn-BDA处理的细胞团显示出更明亮的MRI信号，对比度显著增强，证明其可作为有效的MRI造影剂。这首次在单一制剂中实现了荧光和MRI双模态成像功能的整合。
第四步是探究PEG-Mn-BDA诱导细胞凋亡的机制。研究团队进行了一系列分子和细胞生物学实验。首先，通过DAPI染色观察细胞核形态，发现PEG-Mn-BDA处理后的细胞出现核固缩、核碎裂等典型的凋亡形态。Western blot分析进一步显示，PEG-Mn-BDA能剂量依赖性地激活凋亡关键执行蛋白Caspase-3的表达。为了探究凋亡的触发因素，他们检测了细胞内活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)水平。使用DCFH-DA荧光探针检测发现，PEG-Mn-BDA能剂量依赖性地诱导SMMC-7721细胞内产生大量ROS。当使用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl cysteine, NAC)预处理细胞后，PEG-Mn-BDA诱导的ROS生成和细胞毒性均被显著削弱，证明ROS的爆发是引发凋亡的重要上游事件。
第五步是深入探究线粒体途径在凋亡中的作用。鉴于ROS常导致线粒体损伤，研究团队验证了PEG-Mn-BDA的线粒体靶向性。使用线粒体红色荧光探针(MitoTracker Red FM)与PEG-Mn-BDA共染色，激光共聚焦显微镜下观察到两者荧光信号高度重合（呈现黄色），证实了PEG-Mn-BDA主要定位于线粒体。接下来，他们检测了线粒体膜电位(Mitochondrial Membrane Potential, MMP)的变化。使用罗丹明123 (Rhodamine 123)染色发现，PEG-Mn-BDA处理能剂量依赖性地引起MMP下降（去极化），这是线粒体功能受损和细胞凋亡启动的早期标志。当使用线粒体膜电位保护剂环孢菌素A(Cyclosporine A, CsA)预处理细胞后，MMP的下降和PEG-Mn-BDA的细胞毒性均被部分逆转，这强有力地证明了线粒体功能障碍是PEG-Mn-BDA诱导凋亡的核心环节。
第六步是研究PEG-Mn-BDA对癌细胞能量代谢靶点LDH-A的影响。研究团队测定了经PEG-Mn-BDA处理的SMMC-7721细胞中LDH的酶活性。结果显示，处理组细胞的LDH活性显著降低至对照组的58%左右。Western blot分析也证实，无论在常氧还是缺氧模拟剂（氯化钴CoCl2或去铁胺DFO）诱导的条件下，PEG-Mn-BDA都能下调LDH-A蛋白的表达水平。更重要的是，在CoCl2模拟的缺氧环境下，癌细胞对PEG-Mn-BDA的敏感性比在常氧下更高。这些结果说明，抑制LDH-A活性、干扰糖酵解代谢是PEG-Mn-BDA发挥抗癌作用的另一个关键分子机制。理论上，LDH-A被抑制后，糖酵解产物丙酮酸无法有效转化为乳酸，被迫更多地进入线粒体进行三羧酸循环和氧化磷酸化，这一过程会增加电子传递链的负荷，从而可能导致ROS过量产生，与前述实验结果形成了逻辑闭环。
第七步是体内抗肿瘤药效和安全性评估。研究团队建立了小鼠肝癌(Hep-a细胞)异种移植瘤模型。将荷瘤小鼠随机分为四组：对照组（生理盐水）、阳性对照组（5-氟尿嘧啶, 5-FU）、PEG-Mn-BDA低剂量组(20 mg/kg)和高剂量组(40 mg/kg)。药物通过灌胃给予，连续10天。结果显示，与对照组相比，两个剂量的PEG-Mn-BDA均能显著抑制肿瘤体积的增长和最终瘤重的增加，且呈现剂量依赖性，尽管其抑制率略低于化疗药5-FU。在安全性方面，5-FU治疗导致了小鼠体重减轻、胸腺指数和脾脏指数下降等明显的毒副作用。与之形成鲜明对比的是，PEG-Mn-BDA治疗组小鼠的体重、胸腺、脾脏和肝脏指数均与对照组无显著差异，表明该纳米制剂对正常组织和免疫器官的毒性很低，具有优越的安全性选择性。
本研究的主要结论是：成功设计并合成了一种多功能线粒体靶向纳米制剂PEG-Mn-BDA。该制剂能够选择性被癌细胞摄取，并通过“一石多鸟”的多重机制发挥抗癌作用：1）抑制LDH-A活性，破坏癌细胞的糖酵解代谢；2）导致线粒体功能障碍，诱导线粒体膜电位去极化；3）引发细胞内ROS爆发；最终共同激活Caspase-3，导致癌细胞凋亡。此外，PEG-Mn-BDA凭借其m-BDA配体的荧光性质和锰离子的顺磁性，成功实现了对癌细胞的荧光/MRI双模态成像。体内实验证实了其良好的抗肿瘤效果和极高的生物安全性。
本研究的科学价值和应用价值显著。在科学上，它提供了一个将“代谢干预”、“细胞器靶向治疗”和“多模态诊疗一体化”三大前沿策略融于一体的杰出范例。它详细阐明了从抑制LDH-A到干扰能量代谢、再到诱导线粒体ROS产生和凋亡的完整信号通路，加深了对金属配合物抗癌机制的理解。在应用上，PEG-Mn-BDA作为一种“诊疗一体化”(Theranostic)候选药物，展现出巨大的潜力：其MRI功能可用于术前肿瘤定位和边界界定，荧光成像可辅助术中实时可视化导航以达成精准切除，而其自身的抗癌活性又可作为术前的辅助化疗或独立疗法。聚乙二醇(PEG)修饰还改善了其水溶性和生物相容性，有利于体内长循环。
本研究的亮点在于：第一，创新性的多功能一体化设计：将诊断（荧光/MRI）与治疗（抗癌）功能集成于单个纳米平台，实现了真正的“诊疗一体化”。第二，巧妙的多靶点作用机制：并非简单地输送毒药，而是通过靶向LDH-A这一癌症代谢关键酶，扰乱其核心能量供应，从根源上施加选择性压力，并通过线粒体靶向放大杀伤效果，机制新颖且具有逻辑性。第三，优异的生物安全性：与传统的化疗药5-FU相比，在有效抑制肿瘤的同时，对正常组织几乎无毒性，这种高治疗指数是其未来临床转化的巨大优势。第四，对肿瘤缺氧微环境的利用：研究证实其在模拟缺氧条件下对癌细胞杀伤效果更强，这使其特别适用于治疗实体瘤内部缺氧区域的耐药细胞，策略巧妙。这项研究为开发高效、低毒、兼具精准诊断能力的下一代抗癌纳米药物提供了重要的概念验证和实验依据。