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中科院納米能源所李琳琳/王中林 Cell Biomaterials：基于納米鈀-微生物雜化體系的自供電調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于癌癥催化治療
2025-03-01  來源：高分子科技

  納米催化治療通過催化病灶部位特異性底物生產(chǎn)治療性物質(zhì)實現(xiàn)治療，光、磁場和電場等外部能量場能夠作為能量觸發(fā)器加速催化進程，在惡性腫瘤等治療方面展示出誘人的應(yīng)用前景。如何在不影響正常組織的情況下施加非侵入性刺激，最大限度地提高催化效率，仍具有重大挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳課題組前期研發(fā)了利用人體運動自我驅(qū)動的自供能、可穿戴摩擦電刺激器件，通過安全、高效的脈沖電刺激，有效提高了腫瘤納米催化治療（Adv. Mater. 2022, 2109568; Nat. Comm. 2024, 15: 8097; Adv. Funct. Mater. 2022, 2209142; Adv. Funct. Mater. 2023, 2305625; Small, 2024, 20, 2307087）。


MR-1@Pd與可穿戴自供電摩擦電器件結(jié)合提高癌癥催化治療示意圖。


  在此基礎(chǔ)上，他們一直致力進一步于提高自供能電刺激系統(tǒng)作用于納米催化的效率，以期進一步提高治療效果。近日，他們在Cell Biomaterials期刊上發(fā)表相關(guān)研究結(jié)果，借助電活性微生物希瓦氏菌Shewanella Oneidensis MR-1的細胞外電子轉(zhuǎn)移鏈，在細胞膜上原位合成鈀納米顆粒，獲得了對自供能電刺激具有良好電響應(yīng)的生物-非生物催化雜化體MR-1@Pd，并且揭示了自供能電刺激通過3種途徑共同促進催化治療效果：1）自供能電刺激提高Pd納米顆粒和MR-1的類過氧化物酶（POD）活性，促進MR-1和Pd納米顆粒內(nèi)及生物-非生物界面的電子轉(zhuǎn)移；2）自供能電刺激改變MR-1基因組，上調(diào)與細胞代謝、生物合成、乳酸分解代謝等過程相關(guān)的基因表達，進一步提高MR-1@Pd催化活性；3）自供能電刺激提高MR-1@Pd消耗乳酸的能力，調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境的乳酸堆積和異常代謝。靜脈注射后，具有良好生物安全性的MR-1@Pd能自主導(dǎo)航到乏氧腫瘤組織，實現(xiàn)高效治療。


圖一. MR-1@Pd的制備及表征


  MR-1是兼性厭氧菌。在厭氧條件下，借助MR-1的細胞外電子轉(zhuǎn)移鏈，無外加還原劑時在細胞膜上原位合成了Pd納米顆粒，尺寸2–8納米（圖一）。自供電電刺激下MR-1@Pd的類POD活性提高了2.1倍，類谷胱甘肽過氧化物酶（GSHOx）活性提高了3.02倍。研究發(fā)現(xiàn)，電刺激不僅增強了MR-1@Pd的電子產(chǎn)生和傳遞能力，而且調(diào)控了MR-1@Pd中與電子產(chǎn)生和傳遞相關(guān)的基因（圖三）。在體外細胞實驗和小鼠乳腺癌模型上，MR-1@Pd均體現(xiàn)出良好的生物安全性和腫瘤細胞殺傷能力（圖三～五）。經(jīng)靜脈注射后，MR-1@Pd能自主巡航到乏氧腫瘤組織，柔性可穿戴摩擦電器件通過無創(chuàng)微針電極遞送電刺激，實現(xiàn)了高效、安全的腫瘤治療。


圖二. 自供電電刺激下MR-1@Pd的催化活性和電調(diào)制效果。


圖三. 自供電電調(diào)制系統(tǒng)的體外抗腫瘤效果。


圖四. 利用微針電極進行腫瘤靶向和電場應(yīng)用。


圖五. 利用自供電電調(diào)制系統(tǒng)對皮下4T1腫瘤BALB/c小鼠進行體內(nèi)癌癥治療。


  近期，該研究成果以“A Self-powered Electromodulative System Based on An Abiotic-biotic Hybrid for Cancer Catalytic Therapy”為題發(fā)表在Cell Biomaterials第一卷第一期上（Cell Biomaterials, 2025, 1, 1, 100007）。文章的第一作者是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所姚順成博士，通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士。


  論文鏈接：https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(24)00007-2


  李琳琳課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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